Класификация на нелинейните елементи

Нелинейните вериги са вериги, които имат поне един нелинеен елемент. Нелинеен елемент е елемент, за който връзката между ток и напрежение не е посочена. линейно уравнение.

IN нелинейни веригипринципът на суперпозиция не се спазва и следователно няма общи методи за изчисление. Това налага разработването на специални изчислителни методи за всеки тип нелинейни елементи и техните режими на работа.

Нелинейните елементи се класифицират:

1) по физическа природа: проводник, полупроводник, диелектрик, електронен, йонен и др.;

2) по природа се делят на резистивни, капацитивни и индуктивни;

VAC VAC VAC

3) според вида на характеристиките всички елементи са разделени

За симетрични и асиметрични. Симетрични са тези, чиято характеристика е симетрична по отношение на началото на координатите. За асиметричните елементи положителната посока на напрежението или тока се избира веднъж завинаги, а характеристиките на тока и напрежението са дадени за тях в справочници. Само тази посока може да се използва при решаване на проблеми, използващи тези характеристики на тока и напрежението.

Еднозначно и двусмислено. Двусмислено, когато няколко точки съответстват на една стойност на тока или напрежението на характеристиката ток-напрежение;

4) инерционни и неинерционни елементи. Инерционните елементи са тези елементи, в които нелинейността се причинява от нагряване на тялото по време на преминаване на ток. Тъй като температурата не може да се променя произволно бързо, когато през такъв елемент преминава променлив ток с достатъчно висока честота и постоянна ефективна стойност, температурата на елемента остава почти постоянна през целия период на промяна на тока. Следователно за моментни стойности елементът се оказва линеен и се характеризира с някаква постоянна стойност R (I,U). Ако ефективната стойност на тока се промени, тогава температурата ще се промени и ще се получи различно съпротивление, т.е. за ефективните стойности елементът ще стане нелинеен.

5) управлявани и неуправляеми елементи. По-горе говорихме за неуправляеми елементи. ДО управлявани елементивключват елементи с три или повече извода, в които чрез промяна на тока или напрежението на един извод е възможно да се промени характеристиката ток-напрежение спрямо други изводи.

Параметри на нелинейни елементи и някои еквивалентни схеми

В зависимост от конкретната задача е удобно да се използват определени параметри на елементите и общият им брой е голям, но най-често се използват статични и диференциални параметри. За резистивен двуполюсен елемент това ще бъде статично и диференциално съпротивление.

В дадена точка характеристиката ток-напрежение

В дадена работна точка характеристиката ток-напрежение

1. Дайте малко увеличение на напрежението. Увеличението на тока, причинено от това увеличение, се намира от характеристиката ток-напрежение и се взема тяхното съотношение. Недостатъкът на този метод е, че за повишаване на точността на изчислението е необходимо да се намалят U и I, но това затруднява работата с графиката.

2. Начертава се допирателна към дадена точка на кривата и след това, чрез геометричната дефиниция на производната, получаваме

Където увеличенията са взети по тази допирателна и могат да бъдат толкова големи, колкото желаете.

Ако режимът на работа е известен нелинеен елемент, тогава в този момент неговото статично съпротивление, както и напрежението и тока са известни, така че той може да бъде заменен по един от 3 начина.

Ако е известно, че по време на работа на веригата токът и напрежението се променят в рамките на „повече или по-малко прав участък от характеристиката ток-напрежение“, тогава този участък се описва с линейно уравнение и такава еквивалентна верига е свързана с него .

Този участък се линеаризира с уравнение от вида U=a+ib. За него се получават коефициентите на уравнението.

За i=0 и U=U 0 =a,

средна стойност в тази област.

Тогава какво съответства на следната схема за заместване:

Тази схема ще бъде валидна за зоната, ограничена от вълнообразна линия.

Същият израз може да бъде написан по различен начин:

Следователно, в някои задачи, където е известно предварително, че токовете и напреженията на нелинеен елемент са представени като сума от постоянен компонент Urt, Irt и променлив компонент u ~, i ~ с амплитуда<< чем величина постоянной составляющей, отдельно рассчитывают режим на постоянном токе (напряжении) и отдельно для переменной составляющей. Из записей видно, что двухполюсный элемент для малой переменной составляющей можно заменить просто дифференциальным сопротивлением в рабочей точке.

Същият подход се използва и във вериги с многополюсни елементи, но там не е възможно да се въведе само едно съпротивление, тъй като CPs се характеризират с четири коефициента на уравненията. Но можете да намерите тези коефициенти за малки променливи компоненти на токове и напрежения.

Пример:Биполярен транзистор (обща емитерна верига).

Нека се знае, че u j =U p f+u kj, i j =I p f+i kj

Схема за заместване:

Нека приложим диференциращи параметри и да го получим във формата "I".

u bk =h 21 i b +h 12 u ke

i ke =h 21 i b +h 22 u ke

U be =H 11 I b +H 21 U ke

Тези уравнения са написани за променливи компоненти, тъй като процедурата за изчисляване на елементите се променя.

H 11 =U be /I b при I b =0, т.е. i b =I br.t.

H 12 =U be /U ke при I b =0

H21 =I k /I b при U ke =0

H 22 =I k /U ke при I b =0, т.е. i b =I br.t.

h 12 = DU be / DU ke h 21 = Di k / Di b h 22 = Di k / DU ke,

където I, U са увеличенията на токовете и напреженията в близост до работната точка.

Токово-напреженови характеристики на този нелинеен елемент.

Методи за изчисляване на нелинейни постояннотокови вериги

Има: числени, аналитични и графични методи.

1) Числени са методи за числено решаване на нелинейни уравнения. Обикновено се използва компютър. Те ви позволяват да решавате широк кръг от проблеми, но отговорът се получава под формата на число.

2) Аналитични - това са методи, базирани на апроксимацията на ток-напрежението на някаква подходяща функция. Ако тази функция е нелинейна, тогава се получава нелинейна система от уравнения. За да бъде решен, трябва много внимателно да се избере апроксимиращата функция.

Съдържание. Нелинейни елементи. Насищане на магнитни материали. Сегнетоелектрици, варистори и позистори. Нелинейни резистори. Полупроводников диод и неговата ток-напрежение характеристика. Концепцията за дизайна на биполярни транзистори и тиристори. Линеен стабилизатор на напрежение. Принцип на работа на полеви транзистор и биполярен транзистор с изолиран затвор (IGBT).

Стойностите на елементите R, C, L бяха въведени като коефициенти между ток и напрежение (R), заряд и напрежение (C) и магнитен поток и ток (L). Освен това от тези отношения беше формулиран обобщеният закон на Ом.

При разглеждането на най-простите проблеми беше направено предположението, че тези стойности не зависят от електромагнитната енергия, протичаща през тези елементи. И изпитахме голямо удоволствие да манипулираме така наречените линейни елементи и дори да изберем съответните „линейни“ компоненти.

Линейни компоненти обаче не съществуват в природата!

Те могат да имат приблизително линейни параметри само в определен диапазон от токове и напрежения. Всяко вещество, изложено на електромагнитни полета, по един или друг начин променя структурата си и съответно физическите си характеристики, а именно съпротивление, диелектрична и магнитна пропускливост и дори геометрична форма. Следователно параметрите на компонентите, направени от тези материали, също се променят, тъй като R=rl/s; C»es/l; L»ms/l. Ако тези промени не са значителни, тогава говорим за линейност на елементите и съответните компоненти. В противен случай е необходимо да се вземат предвид тези промени и тогава трябва да се говори нелинейни елементи и компоненти.

UGO на нелинейни елементи в еквивалентни схеми имат следната форма:

нелинеен резистор

индуктор с магнитна сърцевина

нелинеен кондензатор - варикап

Нелинейните елементи се използват широко в електрическите вериги за промяна на формата на сигнала, с други думи, за възбуждане или абсорбиране на определени хармоници, които съставят сигнала.

От математическа гледна точка в този случай коефициентите, съставени от R, C, L, зависят от неизвестни параметри (ток и напрежение), а енергийните уравнения, съставени според правилата на Кирхоф, стават нелинейнис всички произтичащи от това последици за изчисленията.

Най-често срещаните методи за тяхното решаване са:

- приближение, когато известната нелинейна зависимост на стойността на елемента от тока или напрежението се апроксимира чрез сегменти от линейни функции и за всеки от тях се получават решения на линейни уравнения;

- графичен методкогато уравненията се решават графично с помощта на

известни нелинейни графични зависимости на елемента от ток или напрежение;

- машинен метод, когато нелинейната зависимост на стойността на елемента от тока или напрежението се апроксимира чрез моделна математическа функция и интегро-диференциалните нелинейни уравнения се решават чрез числени методи.

нелинейна индуктивностизползвани в електротехниката Характеристики на Weber-amp, които са подобни на BH хистерезисните криви за феромагнитни материали, които физиците обичат да използват. Ако на Weber-амперната характеристика L=dY/dI, то на VN кривите m=dB/dH, но Y=NBS, и H»I/r. Понякога използват волт-секундна характеристика, защото Y=òUdt.

При приближаване тази характеристика обикновено се разделя на части: преди насищане е права линия с наклон m =dB/dH, а след насищане при Vmтова е права линия с m = 1. Остатъчни стойности на намагнитване INrи принуда НСопределете площта, заета от хистерезисната верига, т.е. активни загуби поради обръщане на намагнитването. Следователно в повечето случаи те могат да бъдат взети под внимание чрез въвеждане на резистивен елемент във веригата и изключени от приближението на характеристиката на Вебер-ампер.

Режимът на работа на индуктори с линейни характеристики се избира в рамките на големи стойности от m или L. В тази област работят магнитни устройства като дросели за съхраняване на магнитна енергия, трансформатори за предаване на мощност чрез магнитно свързване на бобини, както и електрически двигатели. В същото време ефектът от нелинейността на магнитните материали се използва широко за създаване на магнитни усилватели, ферорезонансни стабилизатори и дори магнитни ключови елементи, които използват магнитни материали с така наречената правоъгълна магнитна характеристика, където m може да достигне стойности на 50 или повече. В момента в индукторите се използват основно 3 вида магнитни материали: електротехническа стомана, аморфно желязо (метастъкло)и феритис много различни криви на хистерезис.

Нелинейните индуктори исторически бяха първите създадени поради наличието и ниската цена на магнитните материали, както и лекотата на тяхното производство. Те се отличават преди всичко със своята надеждност, но имат големи характеристики на тегло и размери и следователно висока инерция. Загубите от обръщане на намагнитването и активните загуби поради нагряване на намотките също представляват сериозен проблем, особено в силовата електротехника. Следователно понастоящем използването на нелинейни индуктори е ограничено.

Да представлява зависимост нелинеен капацитетизползване кулон-волтхарактеристики, тъй като C=dQ/dU.

Те са подобни на феромагнитните weber-ampere характеристики, само че тук има проницаемост e=dD/dE, където D е електрическа индукция или електрическо изместване.

Най-интересният диелектрик за създаване на нелинейни кондензатори са сегнетоелектрици, като сол на Рошел (калиев натриев тартарат), бариев титанат, бисмутов титанат и др. Поради структурата на домейна на електрическите диполи, при ниски напрежения те имат висока диелектрична константа с e » 1000, която намалява с увеличаване на напрежението, подобно на магнитната проницаемост на феромагнетиците. Поради това в чуждестранната литература те бяха наречени сегнетоелектрици. Тези материали се използват широко за създаване на линейни капацитивни елементи като керамични кондензатори с висока плътност на електрическа енергия, където те работят в ненаситената област на характеристиката на кулоновото напрежение. Нелинейността се използва за създаване на кондензатори с променлив капацитет, варикондас, които имат тясно приложение.

В променливо поле в сегнетоелектриците се променя посоката на електричния момент на диполите, които са свързани в големи домени, разположени в кристални структури. Това води до промяна на геометричните размери на кристала, т.нар електрострикция. Подобен ефект има и при магнитните материали магнитострикция, но е труден за използване поради наличието на външна намотка. В някои групи сегнетоелектрични кристали се наблюдават ефекти, подобни на електрострикцията. това директен пиезоелектрикефект - появата на електрическо поле (поляризация) в кристал по време на неговата механична деформация и назад– механична деформация при възникване на електрическо поле. Тези кристални материали се наричат пиезоелектрици,и те са получили изключително голяма употреба. Директният ефект се използва за получаване на високи напрежения, в първични преобразуватели на механични сили (например микрофони, звукоприемници в механични системи за запис на звук) и т.н. Обратният ефект се използва в звукови и ултразвукови излъчватели, в системи за ултра прецизно позициониране (позиционер за преместване на главата на твърдия диск) и др. При създаване се използват и двата ефекта резонансни кристални осцилатори, където размерите на кристалите са избрани по такъв начин, че механичните вибрации да са в резонанс с електрическите. С много висок коефициент на качество на такава система се осигурява стабилност и точност на настройките на честотата на генератора. Два такива кристала, имащи здрава връзка, могат да предават електрическа енергия без галванична връзка, за което се наричат пиезотрансформатори.

Домейнната структура както на електрическите, така и на магнитните диполи се разпада при определена температура, наречена точка на Кюри. В този случай възниква фазов преход и проводимостта на сегнетоелектрика се променя значително. На тази основа действат позитори, при които с допълнително легиране на материала може да се зададе определена точка на Кюри. След достигане на тази температура скоростта на нарастване на съпротивлението може да достигне 1 kOhm/deg.

По същество това нелинеен резистор, който има S-образна форма или "ключ" характеристика ток-напрежение (волт-амперна характеристика).

Тоест, този елемент може да работи като електрически превключвател, управляван от преминаващ ток или външна температура.

PTC резисторите се използват широко за защита срещу токови претоварвания в аналогови телефонни мрежи, както и за освобождаване на магнитна енергия от бобини, когато са изключени, плавен старт на двигатели и др. Те са намерили доста интересно приложение като регулируеми горивни елементи във вентилатор нагреватели, в които самият елемент се намира при почти постоянна температура, а консумираната електрическа мощност автоматично се поддържа равна на отнетата топлинна мощност. Тоест скоростта на въртене на вентилатора може да се контролира от топлинната мощност на такова отоплително устройство.

С друг вид фероелектрично легиране е възможно да се постигне ефект на нелинейна зависимост на неговата проводимост от напрежението, т.е. това всъщност е нелинеен резистор, наречена варистор. Този ефект се дължи на промяна в проводимостта на тънки слоеве материя, заобикалящи домейните при определено напрежение. Поради това се характеризират характеристика ток-напрежение, където функцията U(I) може да бъде представена чрез полином от пета степен. Удобно е да се характеризират нелинейни резистори със статично съпротивление Rst = U/I и диференциално съпротивление Rd = dU/dI. Вижда се, че в линейния участък Rst ~ Rd, в нелинейния участък Rst £ Rd.

Основното им приложение е защитата на електрическите вериги от комутационни пренапрежения на опасни пренапрежения. Във варистор енергията на такъв удар се преобразува в активна енергия и загрява масата си. Следователно варисторите се отличават с два основни параметъра - напрежението, при което се прекъсва характеристиката ток-напрежение и енергията, която елементът може да поеме, без това да повлияе на работата му.

Нелинейни резисториот различни видове заемат голямо място в съвременната електротехника. Най-общо казано, всеки проводник е нелинеен. Ако прекарате ток през обикновен меден проводник, тогава първо съпротивлението му, както е известно, ще се промени като R0(1+αT). Тази зависимост ще се запази, докато жицата се стопи и след това съпротивлението ще остане постоянно, докато материалът се изпари. И в това състояние жицата всъщност се превръща в изолатор.

Съпротивлението на проводника R е обратно пропорционално на плътността на тока, така че съпротивлението на гол меден проводник се счита за линейно до плътността на тока 10 A/mm2 . Тъй като отделянето на топлина от проводника се влошава, тази стойност намалява. Например, в намотката на индуктор тази стойност може да бъде на ниво от 2 A / mm2. Тъй като при превишаване на тези стойности на плътност на тока се получава нарастващо освобождаване на топлинна енергия, което води до нейното топене, те се считат допустими стойности на плътност на токаи се използват при избора на безопасни напречни сечения на проводниците.

Те работят на този принцип предпазители,напречното сечение на проводника, в което съответства на граничната стойност на тока, преминаващ през него. Но ако в проводника се постави мощност от повече от 1010 W/g, тогава изпарението, заобикаляйки етапа на топене, ще следва адиабатичен път и вълната на налягането на газа, изпаряващ се от повърхността, ще създаде колосални плътности на материята вътре в материал. В този случай беше възможно да се освободят златните атоми от тяхната електронна обвивка и да се извършат термоядрени реакции.

При определено напрежение, достатъчно за появата на достатъчен брой носители на електрически заряд в газа, в газовата междина започва да протича електрически ток. Това явление се нарича газоразрядни, а самата газоразрядна междина може да се разглежда като нелинейно съпротивление със следната характеристика ток-напрежение.

Газоразрядните устройства са широко разпространени като индикатори, заваръчни машини и топилни агрегати, електрически ключове и плазмохимични реактори и др.

През 1873 г. Ф. Гътри открива ефекта на нелинейната проводимост във вакуумна тръба с термоелектронен катод. Когато катодът имаше отрицателен потенциал, неговите електрони създаваха електрически ток, а с обратната полярност те бяха заключени в катода и практически нямаше носители в лампата. Дълго време този ефект не беше търсен, докато през 1904 г. нуждите на радиотехниката не доведоха до създаването на термоелектронен (вакуумен) диод. И тъй като в такова устройство електрическото поле е отговорно за проводимостта, въвеждането на допълнителни малки потенциали позволява да се контролира потокът от електрони, тоест електрически ток. Така те бяха създадени нелинейни резистори с контролирано електрическо поле (радиолампи), който замени големи, инерционни и управлявани от ток нелинейни магнитни системи. Основните недостатъци на радиолампи бяха нагрятият катод, който изисква отделен източник на енергия и подходящо охлаждане, както и доста големи размери поради вакуумната колба.

Следователно, почти едновременно с вакуумния (термионен) диод, твърдотелен диод, базиран на п-n преход,който се образува в точката на контакт на два полупроводника с различен тип проводимост. Въпреки това, технологичните трудности при производството на чисти полупроводникови материали донякъде забавиха въвеждането на тези елементи във връзка с радиотръбите.

Когато две области с различен тип проводимост влязат в контакт, носителите на заряд от тях взаимно проникват (дифундират) в съседната област, където те не са основните носители. В този случай некомпенсираните акцептори (отрицателни заряди) остават в p-региона, а некомпенсираните донори (положителни заряди) остават в n-региона, които образуват регион на пространствен заряд(SCR) с електрическо поле, което предотвратява по-нататъшната дифузия на носители на заряд. В зоната п-преход nсе създава равновесие с контактна потенциална разлика, която за силиция, който се използва широко в полупроводникови устройства, възлиза на 0,7 V.

Когато се свърже външно електрическо поле, този баланс се нарушава. С отклонение напред ("+" в областта от p-тип), ширината на SCR намалява и концентрацията на малцинствените носители нараства експоненциално. Те се компенсират от основните носители, идващи през контакти от външната верига, която създава постоянен ток, увеличавайки се експоненциално с нарастване на преднапрегнатото напрежение.

При обратно отклонение („-“ в областта на p-типа), ширината на SCR се увеличава и концентрацията на миноритарни носители намалява. В тази зона не влизат основните превозвачи, а съществуващите обратен токсе причинява само от премахването на миноритарни носители от SCR и не зависи от приложеното напрежение. Правият и обратният ток могат да се различават 105–106 пъти, образувайки значителна нелинейност на характеристиката ток-напрежение. При определена стойност на обратното напрежение носителите на заряд по време на свободното си движение могат да придобият енергия, достатъчна за образуване на нови двойки заряди, когато се сблъскат с неутрални, които от своя страна получават енергия и участват в раждането на нови двойки. Полученият лавинен ток помита всички потенциални бариери по пътя си, превръщайки полупроводника в обикновен проводник.

UGO полупроводников диод

Типична форма на характеристиката ток-напрежение на p-n преход (диод)

Приближение на „идеален“ диод е идеален електрически превключвател, контролиран от полярността на напрежението. Това обаче не взема предвид такива параметри като:

1) Падане на напрежението напредпри протичане на постоянен ток, който в много реални устройства е 1 -1,5 V, което води до активни загуби P = (1¸1,5)I и следователно до нагряване на елемента и ограничаване на токовете за конкретен елемент. Решаването на термичните проблеми на охлаждащите полупроводникови устройства, както и тяхната термична стабилност, са един от основните проблеми при проектирането на електрически устройства. Обратно пропорционалната зависимост на предния спад на напрежението от температурата ограничава използването на устройства с p-n преходи в паралелни връзки.

2) Обратни токове, които могат да бъдат пренебрегнати само ако са с няколко порядъка по-малки от постоянните токове.

3) Лавинно пробивно напрежение, който определя работната граница на елемента под обратно напрежение, на която трябва да обърнете внимание, особено при работа с импулсни индуктивни елементи. Въпреки това, общата дебелина на кристала ограничава обратните напрежения до 1 – 2 kV. По-нататъшно увеличаване на обратното напрежение е възможно само при последователно сглобяване на елементи с изравняване на обратните токове.

4) Времеви характеристикив частност време за възстановяване(времето на преход от проводящо към непроводящо състояние), което всъщност е времето на отстраняване на малцинствените носители от SCR и неговото разширяване. И този параметър се определя от дифузни процеси с характерна продължителност от 10-5 s. При моделиране на импулсни отговори в диодни еквивалентни схеми се използват 2 капацитивни елемента: бариерен капацитет, което се определя от размера на SCR и пространствения заряд (той е значителен при обратни напрежения), както и дифузен капацитет, което се определя от концентрацията на мнозинството и малцинствените носители (това е значително за спад на напрежението в права посока). Дифузният капацитет определя времената на натрупване и резорбция на неравновесния заряд в SCR и може да достигне стойност от няколко десетки нанофарада. Развитието на технологичните процеси в производството на диоди позволи значително да се повлияе на импулсните характеристики и да се намали времето за възстановяване до десетки наносекунди при бързи и свръхбързи диоди.

Следователно математическият модел на реален полупроводников диод, разработен за програмата Spice и неговите по-нататъшни модификации, е доста сложен математически израз, който включва до 30 константи, зададени от потребителя за моделиране на конкретен елемент.

Работата за намаляване на падането на напрежението напред доведе до създаването Шотки диоди, в който p-n преходът е заменен от бариера на Шотки, образувана от двойка метал-полупроводник. Това направи възможно намаляването на размера на SCR и приблизително наполовина спада на напрежението в посока напред, но в същото време допустимото обратно напрежение значително намаля (< 250 В) и увеличились обратные токи. При этом улучшились импульсные характеристики, что позволило применять эти диоды при частотах до 100 кГц.

Рязък спад динамично съпротивление(Rд=dU/dIt) при обратно пробивно напрежение позволява използването на диоди като стабилизатори на напрежение, като варистори. Но диодите, за разлика от варисторите, имат по-ниски стойности на динамично съпротивление. Трябва обаче да се има предвид, че в режим на стабилизиране енергията, освободена в SCR на p-n прехода, е равна на P = Ul. pr×I. Затова са създадени Ценерови диодии лавинни диодис топлоустойчив p-n преход и въз основа на тях Ценерови диоди.

Когато постоянен ток преминава през SCR, носителите на заряд се рекомбинират с излъчването на фотон, чиято дължина на вълната се определя от полупроводниковия материал. Чрез промяна на състава на този материал и дизайна на елемента е възможно да се създаде светодиодис кохерентен ( лазерни диоди) и некохерентно лъчение за много широк спектрален диапазон, от ултравиолетова до инфрачервена светлина.

Развитието на полупроводниковите технологии доведе до създаването биполярен транзистор, който се състои от три слоя полупроводников материал с различни видове проводимост, n-p-n или p-n-p. Тези слоеве се наричат колектор-база-емитер. Така получихме 2 последователни p-n прехода, но с противоположно насочена проводимост. За постигане на транзисторния ефект е необходимо проводимостта на емитера да е по-голяма от проводимостта на основата, а дебелината на основата да е сравнима с ширината на SCR на прехода колектор-база с обратна проводимост. За да работи n-p-n транзистор съгласно схема с обща база, положителният полюс на източника е свързан към колектора, отрицателният полюс е свързан към емитера, а преходът база-емитер е отворен с допълнителен източник. В същото време малцинствените носители - електроните - ще започнат да се вливат в тънкия основен слой. Някои от тях, под въздействието на положителния потенциал на колектора, ще преминат през затворения преход база-колектор, причинявайки увеличаване на колекторния ток като обратен ток през този преход. Освен това колекторният ток може да бъде няколкостотин пъти по-висок от базовия ток ( транзисторен ефект).

По този начин биполярният транзистор може да се разглежда като нелинейно съпротивление, контролирано от базов ток.

Биполярните транзистори UGO имат следната форма:

I-V характеристики на биполярен транзистор или зависимостта на колекторния ток от напрежението колектор-емитер UCE(IC) за транзистора 2N2222 при различни базови токове.

По този начин колекторният ток се определя от базовия ток, но тази зависимост при ниски базови токове е значително нелинейна. Това е т.нар активен режим.

При високи базови токове, когато се постигне пълно отваряне на прехода колектор-база, транзисторът преминава в насищане при минимален спад на напрежението колектор-емитер, равен на удвоената контактна потенциална разлика » 1,2-1,4 V (два отворени p-n прехода, свързани в серия). получаваме богат режим.

Това води до 2 възможности за използване на транзистори - в активен режим, като усилвател,а в наситен режим - като електрически ключ.

Да вземем пример за използване на транзистор в активен режим - линеен стабилизатор на напрежението.

В тази схема транзисторът е свързан в съответствие с обща колекторна верига, т.е. източниците на ток на колектора и базата са свързани с обща точка и управляващият ток влиза в основата през резистора Rv. Тъй като преходът база-емитер е отворен, можем да приемем, че спадът на напрежението върху него не зависи от тока и е равен на потенциалната бариера UBE = 0,6-0,7 V. При липса на ценеров диод DZ изходното напрежение съгласно правилото за делителя на напрежението е UOUT ~ UIN RL/RV+RL. Ценеровият диод DZ поддържа постоянно ниво на напрежение въз основа на UZ. Но тогава UOUT= UZ - UBE е постоянна стойност и не зависи от входното напрежение и тока на натоварване. При постоянен ток на натоварване и, съответно, базов ток, всяко увеличение на входното напрежение Uin няма да промени тока на колектора, тъй като динамичното съпротивление на прехода колектор-база в активния режим на транзистора е близо до ¥. В същото време промяната в тока на натоварване просто ще доведе до промяна в базовия ток и съответно до промяна в тока на колектора.

Работата на биполярен транзистор в режим на насищане изисква големи управляващи токове, съизмерими по големина и продължителност с комутираните токове. Затова беше предложено тиристор, състоящ се от 4 последователни p-n-p-n слоя.

Когато управляващият ток е включен, първият p-n преход се отваря (база-емитер на транзистора Q1) и електроните от емитера започват да проникват през втория p-n преход (база-колектор на транзистора Q1) в същото време третият отваря се p-n преход (база-емитер p-n-p транзистор Q2) и съответно вторият p-n преход (база-колектор на транзистора Q2). Това гарантира протичането на ток в първия pn преход и контролният ток вече не е необходим. Дълбоката връзка между всички преходи осигурява тяхната наситеност.

Така с кратък импулс на управляващ ток успяхме да прехвърлим системата в наситено състояние със спад на напрежението от около 2 V. За да изключим тока в тази структура, трябва да го намалим до 0 и това е доста лесно се постига с хармоничен сигнал. В резултат на това получихме мощни полупроводникови ключове за мрежи с променлив ток, управлявани от кратки импулси в началото на всеки полупериод.

Можете също така да промените проводимостта на полупроводникова структура, като приложите електрическо поле към нея, което ще създаде допълнителни носители на ток. Тези медии ще бъдат основени не е необходимо да се разпространяват никъде. Това обстоятелство осигурява две предимства в сравнение с биполярните структури.

Първо, времената на промяна на проводимостта се намаляват, и второ, управлението се извършва чрез потенциален сигнал при практически нулев ток, т.е. основният ток е практически независим от управляващия ток. И още едно предимство се дължи на хомогенността на полупроводниковата структура, контролирана от електрическо поле - това е положителен температурен коефициент на съпротивление, което направи възможно производството на тези структури с помощта на микроелектроника под формата на отделни микроклетки (до няколко милиона на кв. см) и, ако е необходимо, ги свържете паралелно.

Транзисторите, създадени на този принцип, се наричат поле(в чуждестранна литература FET или Field emission transistor). В момента са разработени голям брой различни дизайни на такива устройства. Помислете за транзистор с полеви ефекти с изолиран затвор, в който управляващият електрод ( порта), отделени от полупроводника чрез изолационен слой, обикновено алуминиев оксид. Този дизайн се нарича MOS (метал-оксид-полупроводник) или MOS (метал-оксид-полупроводник). Пространството на полупроводника, където се образуват допълнителни носители под въздействието на електрическо поле, се нарича канал, входът и изходът към които съответно се наричат източники източване. В зависимост от технологията на производство, каналите могат да бъдат индуцирани (p-проводимост се създава в n-материала или обратно) или вградени (пространство с p-проводимост се създава в n-материала или обратно). Фигурата показва типичен хоризонтален дизайн на MOS транзистор с индуциран и вграден p-канал.

UGO MOS транзистор

Ето характеристиките на предаване на транзистора BUZ11, а именно зависимостта на изтичащия ток и напрежението на изтичане-източник от напрежението на затвора. Вижда се, че отварянето на транзистора започва с определена стойност на Uthr и доста бързо влиза в насищане.

Ето статичната характеристика на транзистора BUZ11, а именно зависимостта на дрейн тока от напрежението дрейн-сорс. Маркерите отбелязват точките на преход към режим на насищане

Устойчивостта на полеви транзистори на претоварване на тока, високо входно съпротивление, което може значително да намали загубите на управление, висока скорост на превключване, положителен температурен коефициент на съпротивление - всичко това позволи на устройствата с полево управление не само да заменят практически биполярни устройства, но и създайте ново направление в електротехниката - интелигентна силова електроника,където енергийните потоци с почти всяка мощност се контролират на тактови честоти от порядъка на десетки килохерца, т.е. практически в реално време.

Въпреки това, при високи токове транзисторите с полеви ефекти са по-ниски от биполярните транзистори по отношение на преките загуби. Ако в биполярен транзистор, при условие че е наситен, загубите се определят от P = IКUpr, където Upr практически не зависи от тока и е приблизително равна на височината на потенциалната бариера при два отворени p-n прехода, то при полево действие транзистори P = IС2 Rpr, където Rpr е главно съпротивлението на хомогенен канал.

Решение на този проблем беше намерено чрез комбиниране на контрол на полето с биполярен транзистор. Този биполярен транзистор с изолиран порт е по-известен с търговското си наименование IGBT (биполярен транзистор с изолационен порт).

UGO за IGBT

Както можете да видите, тук p+ слой е добавен към вертикалната структура на транзистора с полеви ефекти като субстрат и е образуван биполярен pnp транзистор между емитера E и колектора K. Под въздействието на положителен потенциал на врата G, в p-областта се появява проводящ канал, който отваря кръстовище J1. В същото време инжектирането на миноритарни носители започва дълбоко в n-слоя с ниско съпротивление, слой J2 се отваря леко и между колектора и емитера започва да тече ток, поддържан от носители в p-слоя, които поддържат p-n прехода J1 в отворено състояние. Спадът на напрежението в JGBT се определя от спада на напрежението в отворените p-n преходи J1 и J2, точно както в конвенционален биполярен транзистор. Времената на изключване на JGBT се определят от времето на резорбция на малцинствени носители от тези кръстовища. Това означава, че устройството се включва като полеви транзистор и се изключва като биполярен, както може да се види в примера за превключване на устройството GA100T560U_IR.

Тази структура може да се разглежда като комбинация от контролен транзистор с полеви ефекти и биполярен основен транзистор.

Температурната зависимост на спада на напрежението в JGBT се определя от отрицателния коефициент на прехода J2 и положителния коефициент на канала на p-слоя, както и на n-слоя. В резултат на това разработчиците успяха да направят положителния температурен коефициент преобладаващ, което отвори пътя за паралелно свързване на тези полупроводникови структури и направи възможно създаването на устройства за практически неограничени токове.

Монтаж на IGBT за превключване

напрежения до 3300 V и токове

Класификация на нелинейните елементи

Нелинейни електрически вериги

РАЗДЕЛ II. НЕЛИНЕЙНИ ВЕРИГИ

Нелинейните вериги са вериги, в които има поне един нелинеен елемент. Нелинеен елемент е елемент, за който връзката между тока и напрежението се определя от нелинейно уравнение.

В нелинейните вериги принципът на суперпозиция не се следва и следователно няма общи методи за изчисление. Това налага разработването на специални изчислителни методи за всеки тип нелинейни елементи и техните режими на работа.

Нелинейните елементи се класифицират:

1) по физическа природа: проводникови, полупроводникови, диелектрични, електронни, йонни и др.;

2) по природаразделени на резистивни, капацитивни и индуктивни;

VAC VAC VAC

3) по вид характеристикивсички елементи се разделят

4) инерционни и неинерционни елементи.Инерционните елементи са тези елементи, в които нелинейността се причинява от нагряване на тялото по време на преминаване на ток. Тъй като температурата не може да се променя произволно бързо, когато през такъв елемент преминава променлив ток с достатъчно висока честота и постоянна ефективна стойност, температурата на елемента остава почти постоянна през целия период на промяна на тока. Следователно за моментни стойности елементът се оказва линеен и се характеризира с някаква постоянна стойност R (I,U). Ако ефективната стойност на тока се промени, тогава температурата ще се промени и ще се получи различно съпротивление, т.е. за ефективните стойности елементът ще стане нелинеен.

5) управлявани и неуправляеми елементи.По-горе говорихме за неуправляеми елементи. Контролираните елементи включват елементи с три или повече извода, в които чрез промяна на тока или напрежението на един извод е възможно да се промени характеристиката ток-напрежение спрямо други изводи.

В дадена точка характеристиката ток-напрежение

В дадена работна точка характеристиката ток-напрежение

1. Дайте малко увеличение на напрежението. Увеличението на тока, причинено от това увеличение, се намира от характеристиката ток-напрежение и се взема тяхното съотношение. Недостатъкът на този метод е, че за увеличаване на точността на изчислението е необходимо да се намали Д.У.и D.I., но е трудно да се работи с графика.

Където увеличенията са взети по тази допирателна и могат да бъдат толкова големи, колкото желаете.

Ако режимът на работа на нелинеен елемент е известен, тогава в този момент са известни неговото статично съпротивление, както и напрежението и тока, така че той може да бъде заменен по един от 3 начина.

Линеаризирайте този раздел с уравнение от вида U=a+ib.Получаване на коефициентите на уравнението за него.

При i=0 и U=U 0 =a,

Характеристиките на повечето реални елементи са нелинейни в една или друга степен. В някои случаи нелинейността на елементите е малка и може да бъде пренебрегната при конструирането на опростен модел; в други нелинейността не може да бъде пренебрегната. Освен това функционирането на повечето радиоелектронни устройства е невъзможно без нелинейни елементи (коригиране, умножение, ограничаване, генериране и др.).

Реалните нелинейни елементи се делят на неинерционни и инерционни. Ако връзката между моментните стойности на тока и напрежението на елементите под периодично влияние се определя от статичната характеристика на тока и напрежението (CVC), тогава елементът принадлежи към нелинейни елементи без инерция. Ако статичната характеристика на тока и напрежението и динамичната, взета при честота, равна или по-малка от работната, не съвпадат, тогава такъв елемент трябва да се счита за инерционен.

По този начин инерционният нелинеен елемент е линеен по отношение на моментните стойности на тока и напрежението, а характеристиката ток-напрежение, свързваща ефективните стойности, се оказва нелинейна. Безинерционните елементи са нелинейни както по отношение на моментните стойности на , така и по отношение на ефективните и .

В зависимост от броя на външните клеми се разграничават нелинейни елементи: биполярни (диоди, термистори) и многополярни (транзистори, триоди, пентоди). Волт-амперната характеристика на нелинеен двуполюсен елемент може да бъде симетрична или асиметрична. Токово-напреженовата характеристика на двуполюсна верига със симетрична характеристика е показана на фиг. 1. За него е изпълнено следното условие:

Очевидно режимът на работа на нелинейна верига няма да се промени, ако клемите на нелинеен елемент със симетрична характеристика се сменят. Ако условие (1) не е изпълнено, характеристиката ток-напрежение е асиметрична.

Съотношението на напрежението, измерено от сегмент AB, към тока, измерен от сегмент OB (виж Фиг. 1.) определя в определена скала статичното съпротивление R в точка A.

(2)

Границата на съотношението на увеличението на напрежението в даден участък от веригата към увеличението на тока в него или производната на напрежението по отношение на тока в същата скала определя диференциалното съпротивление:

Съществуват нелинейни елементи с монотонни и немонотонни токово-напреженови характеристики. За монотонни характеристики ток-напрежение или винаги е по-голямо от нула.

Немонотонните характеристики се разделят на N- и S-типове. За елементи с N-образна характеристика (фиг. 2.а) една и съща стойност на тока може да съответства на няколко различни напрежения. В S-образна характеристика ток-напрежение една стойност на напрежението може да съответства на няколко тока (фиг. 2.b).

Фиг.2. ВАХ на различни нелинейни елементи

а) немонотонен N-тип; б) немонотонен S – тип;

в) CVC на неелектрически управлявано двуизводно устройство - термистор.

Типът на характеристиката ток-напрежение на нелинеен елемент може да зависи от някаква величина, която не е свързана с токовете и напреженията на веригата, в която е включен елементът, по-специално от температура (фиг. 2.c), осветеност, налягане и т.н. . Такива елементи принадлежат към неелектрически управлявани двутерминални мрежи .

Фиг.3. Електрически управляван елемент

Нелинейните зависимости z = f(x) могат да бъдат класифицирани според различни критерии:

1. Според гладкостта на характеристиките: гладки - ако в някоя точка от характеристиката има производна dz/dx, т.е. функцията е диференцируема (фиг. 1а, б); частично линейна - характеристика, при която производните имат прекъсване от първи (фиг. 2а) или втори род (фиг. 2б).

По еднозначност: еднозначни - при които на всяка стойност на входната величина отговаря една стойност на изходната величина (фиг. 3а); многозначни - при които всяка стойност на входното количество x съответства на няколко стойности на изходното количество z (фиг. 3b, c, d).

По симетрия: четно-симетричен - симетричен спрямо ординатната ос, т.е. z(x) = z (- x) (фиг. 4а); нечетно-симетричен - симетричен спрямо началото, с z (x) = - z (- x) (фиг. 4b); не е симетричен (фиг. 4в).

Нелинейни вериги

Нелинейните вериги са тези, които съдържат поне един нелинеен елемент. Нелинейните елементи се описват с нелинейни характеристики, които нямат строг аналитичен израз, определят се експериментално и са дадени в таблици или графики.

Нелинейните елементи могат да бъдат разделени на дву- и многополюсни. Последните съдържат три (различни полупроводникови и електронни триоди) или повече (магнитни усилватели, многонамотъчни трансформатори, тетроди, пентоди и др.) полюса, с помощта на които се свързват в електрическата верига. Характерна особеност на многополюсните елементи е, че в общия случай техните свойства се определят от група характеристики, представляващи зависимостта на изходните характеристики от входните променливи и обратно: входните характеристики се изграждат за редица фиксирани стойности на един от изходните параметри, изходните - за редица фиксирани стойности на един от входните параметри.

Според друг критерий за класификация нелинейните елементи могат да бъдат разделени на инерционни и неинерционни. Инерционните елементи са елементи, чиито характеристики зависят от скоростта на промяна на променливите. За такива елементи статичните характеристики, които определят връзката между текущите стойности на променливите, се различават от динамичните характеристики, които установяват връзката между моментните стойности на променливите. Безинерционните елементи са тези, чиито характеристики не зависят от скоростта на промяна на променливите. За такива елементи статичните и динамичните характеристики са еднакви.

Концепциите за инерционни и безинерционни елементи са относителни: даден елемент може да се счита за безинерционен в допустимия (ограничен отгоре) честотен диапазон, извън който той става инерционен.

В зависимост от вида на характеристиките се разграничават нелинейни елементи със симетрични и асиметрични характеристики. Характеристика, която не зависи от посоката на величините, които я определят, се нарича симетрична, т.е. имащи симетрия по отношение на началото на координатната система. За асиметрична характеристика това условие не е изпълнено, т.е. Наличието на симетрична характеристика на нелинеен елемент позволява в редица случаи да се опрости анализът на веригата, като се извърши в рамките на един квадрант.

По вид характеристика можете също да разделите всички нелинейни елементи на елементи с недвусмислени и двусмислени характеристики. Характеристика се нарича еднозначна, при която всяка стойност на x съответства на една стойност на y и обратно. В случай на двусмислена характеристика, някои x стойности могат да съответстват на две или повече y стойности или обратно. За нелинейните резистори неяснотата на характеристиката обикновено се свързва с наличието на падащ участък, а за нелинейните индуктивни и капацитивни елементи - с хистерезис.

И накрая, всички нелинейни елементи могат да бъдат разделени на контролирани и неконтролирани. За разлика от неконтролираните, контролираните нелинейни елементи (обикновено три- и многотерминални мрежи) съдържат канали за управление, променящи се напрежение, ток, светлинен поток и др., В които се променят основните им характеристики: волт-ампер, Вебер-ампер или кулоново напрежение.

В зависимост от вида на съставните нелинейни елементи те се наричат нелинейни вериги.

Как се работи

Класификация на нелинейните елементи

Параметри на нелинейни елементи и някои еквивалентни схеми

Нелинейни вериги

Може също да харесате