Wenn Sucht U(ICH) oder ICH(U linear und sein Widerstand R ist konstant ( R =c onst ) , dann so Element angerufen linear (LE) und einem Stromkreis bestehend aus nur aus linearen Elementen - linearer Stromkreis .

CVC lineares Element symmetrisch und ist eine Gerade, die durch den Koordinatenursprung verläuft (Abb. 16, Kurve 1). Somit ist das Ohmsche Gesetz in linearen Stromkreisen erfüllt.

Wenn Sucht U(ICH) oder ICH(U) irgendein Element des Stromkreises Nicht linear, und sein Widerstand hängt vom Strom in ihm oder der Spannung an seinen Anschlüssen ab ( R ≠s onst ) , dann so Element angerufen Nicht linear (NE) , und den Stromkreis, falls vorhanden mindestens ein nichtlineares Element - nichtlinearer Stromkreis .

CVC nichtlineare Elemente nicht einfach und kann manchmal asymmetrisch sein, beispielsweise in Halbleiterbauelementen (Abb. 16, Kurven 2, 3, 4). Somit besteht in nichtlinearen Stromkreisen der Zusammenhang zwischen Strom und Spannung gehorcht nicht Ohm'sches Gesetz.

Reis. 16. Strom-Spannungs-Kennlinien linearer und nichtlinearer Elemente:

Kurve 1– CVC LE (Widerstand); Kurve 2– CVC von NE (Glühlampen mit Metallfaden); Kurve 3– CVC von NE (Glühlampen mit Kohlefaden;

Kurve 4– CVC der NE (Halbleiterdiode)

Beispiel lineares Element ist Widerstand.

Beispiele Nichtlineare Elemente sind: Glühlampen, Thermistoren, Halbleiterdioden, Transistoren, Gasentladungslampen usw. Symbol NE ist in Abb. dargestellt. 17.

Wenn beispielsweise der durch den Metallfaden einer elektrischen Lampe fließende Strom zunimmt, erhöht sich dessen Erwärmung und damit auch sein Widerstand. Daher ist der Widerstand einer Glühlampe nicht konstant.

Betrachten Sie das folgende Beispiel. Es werden Tabellen mit den Widerstandswerten der Elemente bei verschiedenen Strom- und Spannungswerten angegeben. Welche der Tabellen entspricht einem linearen Element, welche einem nichtlinearen Element?

Tisch 3

Tabelle 4

Beantworten Sie die Frage: Welcher Graph zeigt das Ohmsche Gesetz? Welchem ​​Element entspricht dieser Graph?

1 2 3 4

Was können Sie zu den Grafiken 1, 2 und 4 sagen? Welche Elemente charakterisieren diese Diagramme?

Ein nichtlineares Element an jedem Punkt der Strom-Spannungs-Kennlinie ist durch einen statischen Widerstand gekennzeichnet, der dem diesem Punkt entsprechenden Verhältnis von Spannung zu Strom entspricht (Abb. 18). Zum Beispiel für einen Punkt A :

.

Neben dem statischen Widerstand zeichnet sich ein nichtlineares Element durch einen Differenzwiderstand aus, der als Verhältnis eines infinitesimalen oder sehr kleinen Spannungsinkrements ∆U zum entsprechenden Inkrement ∆I verstanden wird (Abb. 18). Zum Beispiel für einen Punkt A Die Strom-Spannungs-Kennlinie kann geschrieben werden

Wo β – Neigungswinkel der durch den Punkt gezogenen Tangente A .

Diese Formeln bilden die Grundlage der analytischen Methode zur Berechnung einfachster nichtlinearer Schaltkreise.

Schauen wir uns Beispiele an. Wenn der statische Widerstand eines nichtlinearen Elements bei einer Spannung U 1 = 20 V gleich 5 Ohm ist, dann beträgt die Stromstärke I 1 ...

Der statische Widerstand eines nichtlinearen Elements bei einem Strom von 2 A beträgt...

Fazit zur dritten Frage: zwischen linearen und nichtlinearen Elementen eines Stromkreises unterscheiden. Das Ohmsche Gesetz gilt nicht für nichtlineare Elemente. Nichtlineare Elemente zeichnen sich an jedem Punkt der Strom-Spannungs-Kennlinie durch statischen und differenzierten Widerstand aus. Zu den nichtlinearen Elementen zählen alle Halbleiterbauelemente, Gasentladungslampen und Glühlampen.

Frage Nr. 4. Grafische Methode zur Berechnung nichtlinearer Werte

Stromkreise (15 Min.)

Nichtlineare Berechnung Stromkreise Es kommen grafische und analytische Berechnungsmethoden zum Einsatz. Die grafische Methode ist einfacher und wir werden sie genauer betrachten.

Lassen Sie die Quelle von EMF E Mit innerer Widerstand R 0 versorgt zwei nichtlineare Elemente oder Widerstände, die in Reihe geschaltet sind NS1 Und NS2 . Bekannt E , R 0 , Strom-Spannungs-Kennlinie 1 NS1 und Strom-Spannungs-Kennlinien 2 NS2. Es ist erforderlich, den Strom im Stromkreis zu bestimmen ICH N

Zuerst erstellen wir die Strom-Spannungs-Kennlinie des linearen Elements R 0 . Dies ist eine gerade Linie, die durch den Ursprung verläuft. Die am Stromkreiswiderstand abfallende Spannung U wird durch den Ausdruck bestimmt

Eine Abhängigkeit aufbauen U = F ( ICH ) , ist es notwendig, die Strom-Spannungs-Kennlinie grafisch darzustellen 0, 1 Und 2 , Summieren der Ordinaten, die einer Abszisse, dann einer anderen usw. entsprechen. Wir bekommen eine Kurve 3 , das ist die Strom-Spannungs-Kennlinie des gesamten Stromkreises. Ich verwende diese Strom-Spannungs-Kennlinie und finde den Strom im Stromkreis ICH N , entsprechend der Spannung U = E . Anschließend wird der ermittelte Stromwert gemäß der Strom-Spannungs-Kennlinie verwendet 0, 1 Und 2 Finden Sie die erforderliche Spannung U 0 ,U 1 , U 2 (Abb. 19).

Lassen Sie die Quelle von EMF E mit Innenwiderstand R 0 liefert zwei parallel geschaltete nichtlineare Elemente oder Widerstände NS1 Und NS2 , deren Strom-Spannungs-Kennlinien bekannt sind. Es ist erforderlich, den Strom in den Zweigen des Stromkreises zu bestimmen ICH 1 Und ICH 2 , Spannungsabfall über dem Innenwiderstand der Quelle und nichtlinearen Elementen.

Erstellen einer Strom-Spannungs-Kurve ICH N = F ( U ab ) . Dazu ergänzen wir grafisch die Strom-Spannungs-Kennlinie 1 Und 2 , Summieren der Abszissen entsprechend einer Ordinate, dann einer anderen Ordinate usw. Wir erstellen die Strom-Spannungs-Kennlinie des gesamten Stromkreises (Kurve). 0,1,2 ). Dazu ergänzen wir grafisch die Strom-Spannungs-Kennlinie 0 Und 1,2 , Summierung der Ordinaten, die bestimmten Abszissen entsprechen.

Ich verwende diese Strom-Spannungs-Kennlinie und finde den Strom im Stromkreis ICH N , entsprechend der Spannung U = E .

Ich verwende die Strom-Spannungs-Kennlinie 1,2 , Bestimmen Sie die Spannung U ab , entsprechend dem gefundenen Strom ICH N und interner Spannungsabfall U 0 , entsprechend diesem Strom. Anschließend wird die Strom-Spannungs-Kennlinie verwendet 1 Und 2 Finden Sie die erforderlichen Ströme ICH 1 , ICH 2 , entsprechend der gefundenen Spannung U ab (Abb. 20).

Betrachten Sie die folgenden Beispiele.

Wenn nichtlineare Widerstände mit den Charakteristiken R 1 und R 2 in Reihe geschaltet werden, wenn die Charakteristik des Ersatzwiderstands R E ...

wird die Charakteristik R 1 unterschreiten

wird über der Charakteristik R 1 liegen

wird bestehen, entsprechend der Charakteristik R 1

wird die Charakteristik R 2 unterschreiten

Wenn lineare und nichtlineare Widerstände mit den Charakteristiken a und b in Reihe geschaltet werden, ergibt sich die Charakteristik des Ersatzwiderstands...

wird die Charakteristik a unterschreiten

wird über Merkmal a hinausgehen

wird bestehen, entsprechend der Charakteristik a

wird unter der Charakteristik b liegen

Fazit zur vierten Frage: Nichtlineare Gleichstromkreise bilden die Grundlage elektronischer Schaltkreise. Für ihre Berechnung gibt es zwei Methoden: analytische und grafische. Die grafische Berechnungsmethode erleichtert die Ermittlung aller notwendigen Parameter einer nichtlinearen Schaltung.

Diejenigen Elemente eines Stromkreises, bei denen die Abhängigkeit des Stroms von der Spannung I(U) bzw. der Spannung vom Strom U(I) sowie der Widerstand R konstant sind, werden als lineare Elemente des Stromkreises bezeichnet. Dementsprechend wird ein aus solchen Elementen bestehender Stromkreis als linearer Stromkreis bezeichnet.

Lineare Elemente zeichnen sich durch eine lineare symmetrische Strom-Spannungs-Kennlinie (Volt-Ampere-Kennlinie) aus, die wie eine Gerade aussieht, die in einem bestimmten Winkel zu den Koordinatenachsen durch den Koordinatenursprung verläuft. Dies weist darauf hin, dass sie für lineare Elemente und lineare Stromkreise strikt erfüllt ist.

Darüber hinaus können wir nicht nur von Elementen mit rein aktiven Widerständen R sprechen, sondern auch von linearen Induktivitäten L und Kapazitäten C, bei denen die Abhängigkeit des magnetischen Flusses vom Strom - Ф(I) und die Abhängigkeit der Kondensatorladung von der Spannung zwischen seinen Platten - q wird konstant sein (U).

Ein markantes Beispiel für ein lineares Element ist . Der Strom durch einen solchen Widerstand hängt in einem bestimmten Betriebsspannungsbereich linear vom Widerstandswert und von der am Widerstand anliegenden Spannung ab.

Nichtlineare Elemente

Wenn für ein Element eines Stromkreises die Abhängigkeit des Stroms von der Spannung oder der Spannung vom Strom sowie des Widerstands R nicht konstant ist, sich also je nach Strom oder angelegter Spannung ändert, werden solche Elemente als nichtlinear bezeichnet , und dementsprechend ein elektrischer Schaltkreis, der mindestens ein nichtlineares Element enthält, stellt sich heraus.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie eines nichtlinearen Elements ist im Diagramm nicht mehr eine gerade Linie; sie ist nicht geradlinig und oft asymmetrisch, wie beispielsweise eine Halbleiterdiode. Für nichtlineare Elemente eines Stromkreises gilt das Ohmsche Gesetz nicht.

In diesem Zusammenhang können wir nicht nur von einer Glühlampe oder einem Halbleiterbauelement sprechen, sondern auch von nichtlinearen Induktivitäten und Kapazitäten, bei denen der magnetische Fluss Ф und die Ladung q nichtlinear mit dem Spulenstrom oder der Spannung zwischen den Kondensatorplatten zusammenhängen . Daher sind für sie die Weber-Ampere-Charakteristik und die Coulomb-Spannungscharakteristik nichtlinear; sie werden durch Tabellen, Diagramme oder analytische Funktionen spezifiziert.

Ein Beispiel für ein nichtlineares Element ist eine Glühlampe. Wenn der Strom durch den Lampenfaden zunimmt, steigt seine Temperatur und der Widerstand, was bedeutet, dass er nicht konstant ist und daher dieses Element Der Stromkreis ist nichtlinear.

Nichtlineare Elemente zeichnen sich durch einen bestimmten statischen Widerstand an jedem Punkt ihrer Strom-Spannungs-Kennlinie aus, d. h. jedem Spannungs-Strom-Verhältnis an jedem Punkt im Diagramm ist ein bestimmter Widerstandswert zugeordnet. Er kann als Tangente des Winkels Alpha des Diagramms an die horizontale Achse I berechnet werden, als ob sich dieser Punkt auf einem Liniendiagramm befände.

Nichtlineare Elemente haben auch einen sogenannten Differenzwiderstand, der als Verhältnis eines verschwindend kleinen Spannungsinkrements zur entsprechenden Stromänderung ausgedrückt wird. Dieser Widerstand kann als Tangente des Winkels zwischen der Tangente an die Strom-Spannungs-Kennlinie an einem bestimmten Punkt und der horizontalen Achse berechnet werden.

Dieser Ansatz ermöglicht die einfachste Analyse und Berechnung einfacher lineare Schaltungen.

Die obige Abbildung zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie eines typischen . Es befindet sich im ersten und dritten Quadranten der Koordinatenebene. Dies sagt uns, dass bei einer positiven oder negativen Spannung, die an den pn-Übergang der Diode angelegt wird (in die eine oder andere Richtung), eine Vorwärts- oder Rückwärtsvorspannung der Diode vorliegt p-n-Übergang der Diode. Wenn die Spannung an der Diode in eine beliebige Richtung ansteigt, steigt der Strom zunächst leicht an und steigt dann stark an. Aus diesem Grund wird die Diode als ungesteuertes nichtlineares Gerät mit zwei Anschlüssen klassifiziert.

Diese Abbildung zeigt eine Familie typischer I-V-Kennlinien unter verschiedenen Lichtbedingungen. Der Hauptbetriebsmodus einer Fotodiode ist der Sperrvorspannungsmodus, bei dem der Strom bei konstantem Lichtfluss F über einen ziemlich weiten Bereich von Betriebsspannungen praktisch unverändert bleibt. Unter diesen Bedingungen führt die Modulation des Lichtflusses, der die Fotodiode beleuchtet, zu einer gleichzeitigen Modulation des Stroms durch die Fotodiode. Somit ist eine Fotodiode ein gesteuertes nichtlineares Gerät mit zwei Anschlüssen.

Dies ist die Strom-Spannungs-Kennlinie; hier ist ihre offensichtliche Abhängigkeit vom Wert des Steuerelektrodenstroms zu erkennen. Im ersten Quadranten befindet sich der Arbeitsteil des Thyristors. Im dritten Quadranten beginnt die Strom-Spannungs-Kennlinie mit einem niedrigen Strom und einer großen angelegten Spannung (im gesperrten Zustand ist der Widerstand des Thyristors sehr hoch). Im ersten Quadranten ist der Strom hoch, der Spannungsabfall gering – der Thyristor ist derzeit geöffnet.

Der Moment des Übergangs vom geschlossenen in den offenen Zustand tritt ein, wenn ein bestimmter Strom an die Steuerelektrode angelegt wird. Das Umschalten von einem offenen Zustand in einen geschlossenen Zustand erfolgt, wenn der Strom durch den Thyristor abnimmt. Somit ist ein Thyristor ein gesteuertes nichtlineares Netzwerk mit drei Anschlüssen (wie ein Transistor, bei dem der Kollektorstrom vom Basisstrom abhängt).

Inhalt. Nichtlineare Elemente. Sättigung magnetischer Materialien. Ferroelektrika, Varistoren und Posistoren. Nichtlineare Widerstände. Halbleiterdiode und ihre Strom-Spannungs-Kennlinie. Das Konzept des Designs von Bipolartransistoren und Thyristoren. Linearer Spannungsstabilisator. Funktionsprinzip des Feldeffekttransistors und des Insulated-Gate-Bipolartransistors (IGBT).

Die Werte der Elemente R, C, L wurden als Koeffizienten zwischen Strom und Spannung (R), Ladung und Spannung (C) sowie magnetischem Fluss und Strom (L) eingegeben. Aus diesen Beziehungen wurde außerdem das verallgemeinerte Ohmsche Gesetz formuliert.

Bei der Betrachtung einfachster Probleme wurde davon ausgegangen, dass diese Werte nicht von der durch diese Elemente fließenden elektromagnetischen Energie abhängen. Und wir hatten große Freude daran, die sogenannten linearen Elemente zu manipulieren und sogar die entsprechenden „linearen“ Komponenten auszuwählen.

Allerdings gibt es in der Natur keine linearen Komponenten!

Sie können ungefähr haben lineare Parameter nur in einem bestimmten Strom- und Spannungsbereich. Jede Substanz, die auf die eine oder andere Weise elektromagnetischen Feldern ausgesetzt ist, verändert ihre Struktur und dementsprechend ihre physikalischen Eigenschaften, nämlich den spezifischen Widerstand, die dielektrische und magnetische Permeabilität und sogar die geometrische Form. Daher ändern sich auch die Parameter von Bauteilen aus diesen Materialien, da R=rl/s; C»es/l; L»ms/l. Wenn diese Änderungen nicht signifikant sind, spricht man von der Linearität der Elemente und entsprechenden Komponenten. Andernfalls ist es notwendig, diese Änderungen zu berücksichtigen und dann darüber zu sprechen nichtlineare Elemente und Komponenten.

UGO nichtlinearer Elemente in Ersatzschaltkreisen haben die folgende Form:

nichtlinearer Widerstand

Induktor mit Magnetkern

nichtlinearer Kondensator - Varicap

Nichtlineare Elemente werden in elektrischen Schaltkreisen häufig verwendet, um die Form eines Signals zu ändern, mit anderen Worten, um bestimmte Harmonische, aus denen das Signal besteht, anzuregen oder zu absorbieren.

Aus mathematischer Sicht hängen in diesem Fall die aus R, C, L zusammengesetzten Koeffizienten von unbekannten Parametern (Strom und Spannung) ab und die Energiegleichungen werden nach den Kirchhoffschen Regeln erstellt nichtlinear mit allen daraus resultierenden Konsequenzen für die Berechnungen.

Die gebräuchlichsten Methoden zu ihrer Lösung sind:

- Annäherung, wenn die bekannte nichtlineare Abhängigkeit des Elementwerts vom Strom oder der Spannung durch Segmente linearer Funktionen angenähert wird und für jedes davon Lösungen linearer Gleichungen erhalten werden;

- grafische Methode wenn die Gleichungen gelöst sind grafisch verwenden

bekannte nichtlineare grafische Abhängigkeiten des Elements von Strom oder Spannung;

- maschinelle Methode, wenn die nichtlineare Abhängigkeit des Elementwerts von Strom oder Spannung durch eine mathematische Modellfunktion angenähert wird und nichtlineare Integrodifferentialgleichungen durch numerische Methoden gelöst werden.

nichtlineare Induktivität in der Elektrotechnik eingesetzt Eigenschaften des Weber-Verstärkers, die den von Physikern gerne verwendeten BH-Hysteresekurven für ferromagnetische Materialien ähneln. Wenn bei der Weber-Ampere-Kennlinie L=dY/dI ist, dann ist bei den HV-Kurven m=dB/dH, aber Y=NBS und H»I/r. Manchmal verwenden sie Volt-Sekunden-Kennlinie, weil Y=òUdt.

Bei der Näherung wird diese Kennlinie üblicherweise in Teile zerlegt: Vor der Sättigung ist sie eine Gerade mit Steigung m =dB/dH, und nach der Sättigung bei Vm das ist eine gerade Linie mit m =1. Restmagnetisierungswerte INR und Koerzitivkraft NS Bestimmen Sie die von der Hystereseschleife eingenommene Fläche, d. h. die aktiven Verluste aufgrund der Magnetisierungsumkehr. Daher können sie in den meisten Fällen durch die Einführung eines Widerstandselements in den Stromkreis berücksichtigt und von der Näherung der Weber-Ampere-Kennlinie ausgeschlossen werden.

Die Betriebsart von Induktoren mit linearer Kennlinie wird innerhalb großer Werte von m oder L gewählt. In diesem Bereich werden z magnetische Geräte B. Drosseln zur Speicherung magnetischer Energie, Transformatoren zur Energieübertragung durch magnetische Kopplung von Spulen sowie Elektromotoren. Gleichzeitig wird der Effekt der Nichtlinearität magnetischer Materialien häufig zur Herstellung magnetischer Verstärker, Ferroresonanzstabilisatoren und sogar magnetischer Schlüsselelemente genutzt, die magnetische Materialien mit der sogenannten rechteckigen magnetischen Charakteristik verwenden, wobei m Werte von erreichen kann 50 oder mehr. Derzeit werden in Induktoren hauptsächlich drei Arten magnetischer Materialien verwendet: Elektrostahl, amorphes Eisen (Metaglas) Und Ferrite mit sehr unterschiedlichen Hysteresekurven.

Aufgrund der Verfügbarkeit und der geringen Kosten magnetischer Materialien sowie der einfachen Herstellung waren nichtlineare Induktoren historisch gesehen die ersten, die entwickelt wurden. Sie zeichnen sich vor allem durch ihre Zuverlässigkeit aus, weisen aber große Gewichts- und Größeneigenschaften und damit eine hohe Trägheit auf. Auch Ummagnetisierungsverluste und Wirkverluste durch Wicklungserwärmung stellen insbesondere in der Leistungselektrotechnik ein ernstes Problem dar. Daher ist der Einsatz nichtlinearer Induktivitäten derzeit begrenzt.

Abhängigkeit darstellen nichtlineare Kapazität verwenden Coulomb-Volt Eigenschaften, da C=dQ/dU.

Sie ähneln den ferromagnetischen Weber-Ampere-Eigenschaften, nur dass sie hier vorhanden sind die Dielektrizitätskonstante e=dD/dE, wobei D elektrische Induktion oder elektrische Verschiebung ist.

Die interessantesten Dielektrika zur Herstellung nichtlinearer Kondensatoren sind Ferroelektrika, wie Rochelle-Salz (Kaliumnatriumtartrat), Bariumtitanat, Wismuttitanat usw. Aufgrund der Domänenstruktur elektrischer Dipole haben sie bei niedrigen Spannungen eine hohe Dielektrizitätskonstante mit e » 1000, die mit zunehmender Spannung abnimmt, ähnlich wie die magnetische Permeabilität von Ferromagneten. Daher wurden sie in der ausländischen Literatur genannt Ferroelektrika. Diese Materialien werden häufig zur Herstellung linearer kapazitiver Elemente wie Keramikkondensatoren mit hoher elektrischer Energiedichte verwendet, wo sie im ungesättigten Bereich der Coulomb-Spannungscharakteristik arbeiten. Nichtlinearität wird verwendet, um Kondensatoren mit variabler Kapazität zu erzeugen. Varikondas, die eine enge Anwendung haben.

In einem Wechselfeld in Ferroelektrika ändert sich die Richtung des elektrischen Moments der Dipole, die zu großen Domänen in Kristallstrukturen verbunden sind. Dies führt zu einer Veränderung der geometrischen Abmessungen des Kristalls, dem sogenannten Effekt Elektrostriktion. Bei magnetischen Materialien gibt es einen ähnlichen Effekt Magnetostriktion, aber aufgrund der vorhandenen Außenwicklung ist es schwierig zu verwenden. In einigen Gruppen ferroelektrischer Kristalle werden elektrostriktionsähnliche Effekte beobachtet. Das direkt piezoelektrisch Effekt – das Auftreten eines elektrischen Feldes (Polarisation) in einem Kristall während seiner mechanischen Verformung und zurück– mechanische Verformung beim Auftreten eines elektrischen Feldes. Man nennt diese kristallinen Materialien Piezoelektrika, und sie haben äußerst großen Nutzen gefunden. Zur Erzielung wird der direkte Effekt genutzt Hochspannung, in Primärwandlern mechanischer Kräfte (z. B. Mikrofone, Tonabnehmer in mechanischen Tonaufzeichnungssystemen) usw. Der gegenteilige Effekt Wird in Schall- und Ultraschallsendern sowie in hochpräzisen Positionierungssystemen (Kopfbewegungspositionierer) verwendet Festplatte) usw. Beide Effekte werden beim Erstellen verwendet resonante Quarzoszillatoren, wobei die Abmessungen der Kristalle so gewählt sind, dass mechanische Schwingungen mit elektrischen in Resonanz stehen. Mit einem sehr hohen Qualitätsfaktor eines solchen Systems sind Stabilität und Genauigkeit der Generatorfrequenzeinstellungen gewährleistet. Zwei solcher Kristalle, die eine solide Verbindung haben, können elektrische Energie ohne galvanische Verbindung übertragen, weshalb sie so genannt werden Piezotransformatoren.

Die Domänenstruktur sowohl elektrischer als auch magnetischer Dipole zerfällt bei einer bestimmten Temperatur, dem sogenannten Curie-Punkt. In diesem Fall kommt es zu einem Phasenübergang und die Leitfähigkeit des Ferroelektrikums ändert sich deutlich. Auf dieser Grundlage handeln sie Posistoren, bei dem durch zusätzliche Dotierung des Materials ein bestimmter Curie-Punkt eingestellt werden kann. Nach Erreichen dieser Temperatur kann die Widerstandsanstiegsrate 1 kOhm/Grad erreichen.

Im Wesentlichen das nichtlinearer Widerstand, das eine S-Form oder einen „Schlüssel“ hat Strom-Spannungs-Kennlinie (Volt-Ampere-Kennlinie).

Das heißt, dieses Element kann wie ein elektrischer Schalter funktionieren, der durch Stromfluss oder Außentemperatur gesteuert wird.

PTC-Widerstände werden häufig zum Schutz vor Stromüberlastungen in analogen Telefonnetzen sowie zum Ableiten magnetischer Energie aus Spulen beim Ausschalten, zum Sanftanlauf von Motoren usw. verwendet. Sie haben eine recht interessante Anwendung als einstellbare wärmeerzeugende Elemente gefunden bei Heizlüftern, bei denen sich das Element selbst auf nahezu konstanter Temperatur befindet und die verbrauchte elektrische Leistung automatisch auf dem gleichen Niveau wie die entnommene Wärmeleistung gehalten wird. Das heißt, die Drehzahl des Ventilators kann durch die Wärmeleistung eines solchen Heizgeräts gesteuert werden.

Mit einer anderen Art der ferroelektrischen Dotierung kann der Effekt einer nichtlinearen Abhängigkeit seiner Leitfähigkeit von der Spannung erreicht werden, d. h. dies ist tatsächlich der Fall nichtlinearer Widerstand, angerufen Varistor. Dieser Effekt ist auf eine Änderung der Leitfähigkeit dünner Materieschichten, die die Domänen umgeben, bei einer bestimmten Spannung zurückzuführen. Daher werden sie charakterisiert Strom-Spannungs-Kennlinie, wobei die Funktion U(I) durch ein Polynom fünften Grades dargestellt werden kann. Es ist praktisch, nichtlineare Widerstände mit dem statischen Widerstand Rst = U/I und dem Differenzwiderstand Rd = dU/dI zu charakterisieren. Man erkennt, dass im linearen Abschnitt Rst ~ Rd, im nichtlinearen Abschnitt Rst £ Rd.

Ihre Hauptanwendung ist der Schutz elektrischer Schaltkreise vor Schaltstößen gefährlicher Überspannungen. In einem Varistor wird die Energie eines solchen Stoßes in Wirkenergie umgewandelt und erwärmt dessen Masse. Daher unterscheiden sich Varistoren durch zwei Hauptparameter – die Spannung, bei der die Strom-Spannungs-Kennlinie unterbrochen wird, und die Energie, die das Element aufnehmen kann, ohne seine Leistung zu beeinträchtigen.

Nichtlineare Widerstände unterschiedlicher Art nehmen in der modernen Elektrotechnik einen großen Platz ein. Im Allgemeinen ist jeder Leiter nichtlinear. Wenn Sie Strom durch einen gewöhnlichen Kupferdraht leiten, ändert sich zunächst bekanntlich sein Widerstand wie R0(1+αT). Diese Abhängigkeit bleibt bestehen, bis der Draht schmilzt, und dann bleibt der Widerstand konstant, bis das Material verdampft. Und in diesem Zustand wird der Draht tatsächlich zum Isolator.

Der Leiterwiderstand R ist umgekehrt proportional zur Stromdichte, sodass der Widerstand eines blanken Kupferleiters bis zur Stromdichte als linear betrachtet wird 10 A/mm2 . Wenn die Wärmeabfuhr vom Leiter schlechter wird, sinkt dieser Wert. Beispielsweise kann dieser Wert in der Wicklung einer Induktivität bei 2 A/mm2 liegen. Da es bei Überschreitung dieser Stromdichtewerte zu einer zunehmenden Freisetzung thermischer Energie kommt, die zu deren Schmelzen führt, werden sie berücksichtigt zulässige Stromdichtewerte und werden bei der Auswahl sicherer Leiterquerschnitte verwendet.

Sie arbeiten nach diesem Prinzip Sicherungen, der Querschnitt des Leiters, der dem Grenzwert des durch ihn fließenden Stroms entspricht. Wenn jedoch eine Leistung von mehr als 1010 W/g in den Draht eingeleitet wird, folgt die Verdampfung unter Umgehung der Schmelzphase einem adiabatischen Weg und die Druckwelle des von der Oberfläche verdampfenden Gases erzeugt im Inneren des Drahtes kolossale Materiedichten Material. In diesem Fall gelang es, Goldatome aus ihrer Elektronenhülle zu befreien und thermonukleare Reaktionen durchzuführen.

Bei einer bestimmten Spannung reicht es für das Auftreten einer ausreichenden Anzahl von Trägern im Gas aus elektrische Aufladungen Im Gasspalt beginnt ein elektrischer Strom zu fließen. Dieses Phänomen nennt man Gasentladung, und die Gasentladungsstrecke selbst kann als nichtlinearer Widerstand mit der folgenden Strom-Spannungs-Kennlinie betrachtet werden.

Gasentladungsgeräte haben als Indikatoren eine weite Verbreitung gefunden, Schweißgeräte und Schmelzanlagen, elektrische Schalter und plasmachemische Reaktoren usw.

Im Jahr 1873 entdeckte F. Guthrie den Effekt der nichtlinearen Leitfähigkeit in einer Vakuumröhre mit einer thermionischen Kathode. Wenn die Kathode ein negatives Potenzial hatte, erzeugten ihre Elektronen einen elektrischen Strom, und mit der entgegengesetzten Polarität wurden sie an der Kathode festgehalten und es gab praktisch keine Ladungsträger in der Lampe. Lange Zeit Dieser Effekt war erst im Jahr 1904 gefragt, als die Anforderungen der Funktechnik zur Entwicklung einer thermionischen (Vakuum-)Diode führten. Und da in einem solchen Gerät das elektrische Feld für die Leitfähigkeit verantwortlich ist, ermöglicht die Einführung zusätzlicher kleiner Potentiale die Steuerung des Elektronenflusses elektrischer Schock. So sind sie entstanden durch elektrische Felder gesteuerte nichtlineare Widerstände (Radioröhren).), das große, träge und stromgesteuerte nichtlineare Magnetsysteme ersetzte. Die Hauptnachteile von Radioröhren waren die beheizte Kathode, die eine separate Stromquelle und eine entsprechende Kühlung erforderte, sowie recht große Abmessungen aufgrund des Vakuumkolbens.

Daher entstand fast zeitgleich mit der Vakuumdiode (thermionische Diode) eine Festkörperdiode P-n Übergang, die am Kontaktpunkt zweier Halbleiter entsteht verschiedene Typen Leitfähigkeit. Allerdings verzögerten technologische Schwierigkeiten bei der Herstellung reiner Halbleitermaterialien die Einführung dieser Elemente im Vergleich zu Radioröhren etwas.

Wenn zwei Regionen mit unterschiedlicher Leitfähigkeit in Kontakt kommen, dringen (diffundieren) die Ladungsträger aus ihnen gegenseitig in die benachbarte Region, wo sie nicht die Mehrheitsträger sind. In diesem Fall verbleiben unkompensierte Akzeptoren (negative Ladungen) im p-Bereich und unkompensierte Donatoren (positive Ladungen) im n-Bereich, die sich bilden Raumladungsgebiet(SCR) mit einem elektrischen Feld, das eine weitere Diffusion von Ladungsträgern verhindert. In der Zone P-Übergang n Es stellt sich ein Gleichgewicht mit einer Kontaktpotentialdifferenz ein, die für das in Halbleiterbauelementen weit verbreitete Silizium 0,7 V beträgt.

Wenn ein externes elektrisches Feld angeschlossen wird, wird dieses Gleichgewicht gestört. Bei Vorwärtsvorspannung („+“ im p-Typ-Bereich) nimmt die SCR-Breite ab und die Konzentration der Minoritätsträger steigt exponentiell an. Sie werden durch die Hauptträger kompensiert, die über Kontakte aus dem externen Stromkreis kommen und so entstehen Gleichstrom, die exponentiell zunimmt, wenn die Vorwärtsvorspannung zunimmt.

Bei Sperrvorspannung („-“ im p-Typ-Bereich) nimmt die SCR-Breite zu und die Konzentration der Minoritätsträger ab. Die Hauptfluggesellschaften betreten diese Zone nicht, sondern die bestehenden Rückstrom wird nur durch die Entfernung von Minoritätsträgern aus dem SCR verursacht und hängt nicht von der angelegten Spannung ab. Die Vorwärts- und Rückwärtsströme können sich um das 105- bis 106-fache unterscheiden, was zu einer erheblichen Nichtlinearität der Strom-Spannungs-Kennlinie führt. Ab einem bestimmten Wert der Sperrspannung können Ladungsträger während ihrer freien Bewegung ausreichend Energie aufnehmen, um bei der Kollision mit Neutralleitern neue Ladungspaare zu bilden, die wiederum Energie gewinnen und an der Entstehung neuer Ladungspaare beteiligt sind. Der entstehende Lawinenstrom fegt alle potenziellen Hindernisse auf seinem Weg weg und verwandelt den Halbleiter in einen gewöhnlichen Leiter.

UGO-Halbleiterdiode

Typische Form der Strom-Spannungs-Kennlinie eines pn-Übergangs (Diode)

Eine Annäherung an eine „ideale“ Diode ist ein idealer elektrischer Schalter, der durch die Spannungspolarität gesteuert wird. Dabei werden jedoch folgende Parameter nicht berücksichtigt:

1) Vorwärtsspannungsabfall wenn Gleichstrom fließt, der in vielen realen Geräten 1 -1,5 V beträgt, und dies zu aktiven Verlusten P = (1¸1,5)I und folglich zur Erwärmung des Elements und zur Begrenzung der Ströme für ein bestimmtes Element führt. Die Lösung thermischer Probleme bei der Kühlung von Halbleiterbauelementen sowie deren thermische Stabilität sind eines der Hauptprobleme bei der Konstruktion elektronische Geräte. Die umgekehrt proportionale Abhängigkeit des Vorwärtsspannungsabfalls von der Temperatur schränkt die Verwendung von Geräten mit pn-Übergängen in Parallelschaltungen ein.

2) Rückströme, die nur dann vernachlässigt werden können, wenn sie mehrere Größenordnungen kleiner sind als die Gleichströme.

3) Lawinendurchbruchspannung, die die Betriebsgrenze des Elements unter Sperrspannung bestimmt, auf die Sie insbesondere beim Arbeiten mit gepulsten induktiven Elementen achten müssen. Allerdings begrenzt die Gesamtdicke des Kristalls Sperrspannungen auf 1 – 2 kV. Eine weitere Erhöhung der Sperrspannung ist nur durch sequentielle Anordnung der Elemente mit Ausgleich der Sperrströme möglich.

4) Zeitliche Merkmale insbesondere Wiederherstellungszeit(der Zeitpunkt des Übergangs von einem leitenden in einen nichtleitenden Zustand), der eigentlich der Zeitpunkt der Entfernung von Minderheitsträgern aus dem SCR und seiner Erweiterung ist. Und dieser Parameter wird durch diffuse Prozesse mit charakteristischer Dauer von 10-5 s bestimmt. Bei der Modellierung von Impulsantworten in Dioden-Ersatzschaltungen werden 2 kapazitive Elemente verwendet: Barrierekapazität, die durch die Größe des SCR und die Raumladung bestimmt wird (sie ist bei Sperrspannungen von Bedeutung) sowie diffuse Kapazität, die durch die Konzentration der Majoritäts- und Minoritätsträger bestimmt wird (bedeutsam für einen Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung). Die diffuse Kapazität bestimmt die Zeiten der Akkumulation und Resorption der Nichtgleichgewichtsladung im SCR und kann einen Wert von mehreren zehn Nanofarad erreichen. Die Entwicklung technologischer Prozesse bei der Herstellung von Dioden hat es ermöglicht, maßgeblichen Einfluss zu nehmen Impulseigenschaften und reduzieren Sie die Erholungszeit bei schnellen und ultraschnellen Dioden auf mehrere zehn Nanosekunden.

Daher für das Spice-Programm entwickelt mathematisches Modell einer echten Halbleiterdiode und ihrer weiteren Modifikationen ist ein ziemlich komplexer mathematischer Ausdruck, der bis zu 30 Konstanten enthält, die vom Benutzer zur Modellierung eines bestimmten Elements festgelegt werden.

Arbeiten zur Reduzierung des Vorwärtsspannungsabfalls führten zur Entwicklung Schottky-Dioden, bei dem der pn-Übergang durch eine Schottky-Barriere ersetzt wird, die aus einem Metall-Halbleiter-Paar besteht. Dadurch konnte die Größe des SCR reduziert und der Vorwärtsspannungsabfall etwa halbiert werden, gleichzeitig verringerte sich jedoch die zulässige Sperrspannung deutlich (< 250 В) и увеличились обратные токи. При этом улучшились импульсные характеристики, что позволило применять эти диоды при частотах до 100 кГц.

Starker Rückgang dynamischer Widerstand(Rä=dU/dIt) bei Sperrdurchbruchspannung ermöglicht die Verwendung von Dioden als Spannungsstabilisatoren, wie Varistoren. Im Gegensatz zu Varistoren haben Dioden jedoch niedrigere dynamische Widerstandswerte. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass im Stabilisierungsmodus die im SCR des pn-Übergangs freigesetzte Energie gleich P = Ul ist. pr×I. Deshalb wurden sie geschaffen Zener-Dioden Und Lawinendioden mit hitzebeständigem pn-Übergang und darauf basierend Zenerdioden.

Wenn ein Gleichstrom durch den SCR fließt, rekombinieren Ladungsträger unter Emission eines Photons, dessen Wellenlänge durch das Halbleitermaterial bestimmt wird. Durch Variation der Zusammensetzung dieses Materials und des Designs des Elements ist es möglich, etwas zu schaffen LEDs mit kohärentem ( Laserdioden) und inkohärente Strahlung für einen sehr breiten Spektralbereich, von ultraviolettem bis infrarotem Licht.

Die Entwicklung der Halbleitertechnologien hat zur Entstehung geführt Bipolartransistor, das aus drei Schichten Halbleitermaterial mit unterschiedlicher Leitfähigkeit, n-p-n oder p-n-p, besteht. Diese Schichten werden Kollektor-Basis-Emitter genannt. Somit erhielten wir zwei aufeinanderfolgende pn-Übergänge, jedoch mit entgegengesetzt gerichteter Leitfähigkeit. Um den Transistoreffekt zu erzielen, ist es erforderlich, dass die Emitterleitfähigkeit größer als die Basisleitfähigkeit ist und die Dicke der Basis mit der Breite des SCR des Kollektor-Basis-Übergangs mit umgekehrter Leitfähigkeit vergleichbar ist. Für Arbeit n-p-n Transistor gemäß einer Schaltung mit gemeinsamer Basis, der Pluspol der Quelle ist mit dem Kollektor verbunden, der Minuspol ist mit dem Emitter verbunden und die Basis-Emitter-Verbindung ist mit einer zusätzlichen Quelle geöffnet. Gleichzeitig beginnen Minoritätsträger – Elektronen – in die dünne Basisschicht zu fließen. Einige von ihnen passieren unter dem Einfluss des positiven Potentials des Kollektors die geschlossene Basis-Kollektor-Verbindung und verursachen einen Anstieg des Kollektorstroms als Rückstrom durch diese Verbindung. Darüber hinaus kann der Kollektorstrom mehrere Hundert Mal höher sein als der Basisstrom ( Transistoreffekt).

Daher kann man sich einen Bipolartransistor als einen nichtlinearen Widerstand vorstellen, der durch einen Basisstrom gesteuert wird.

UGO-Bipolartransistoren haben die folgende Form:

I-V-Kennlinien eines Bipolartransistors oder die Abhängigkeit des Kollektorstroms von der Kollektor-Emitter-Spannung UCE(IC) für den 2N2222-Transistor bei verschiedenen Basisströmen.

Somit wird der Kollektorstrom durch den Basisstrom bestimmt, diese Abhängigkeit ist jedoch bei niedrigen Basisströmen deutlich nichtlinear. Dies ist das sogenannte Aktiver Modus.

Bei hohen Basisströmen, wenn die vollständige Öffnung des Kollektor-Basis-Übergangs erreicht ist, geht der Transistor bei einem minimalen Kollektor-Emitter-Spannungsabfall gleich dem Doppelten der Kontaktpotentialdifferenz „1,2-1,4 V“ in die Sättigung (zwei in Reihe geschaltet). p-n öffnenÜbergang). Wir bekommen Rich-Modus.

Daraus ergeben sich zwei Möglichkeiten für den Einsatz von Transistoren – im aktiven Modus, als Verstärker, und im gesättigten Modus - wie elektrischer Schlüssel.

Nehmen wir ein Beispiel für die Verwendung eines Transistors im aktiven Modus: linearer Spannungsstabilisator.

In dieser Schaltung ist der Transistor nach einer gemeinsamen Kollektorschaltung angeschlossen, d. h. die Kollektorstrom- und Basisstromquellen sind durch einen gemeinsamen Punkt verbunden und der Steuerstrom gelangt über den Widerstand Rv in die Basis. Da der Basis-Emitter-Übergang offen ist, können wir davon ausgehen, dass der Spannungsabfall an ihm nicht vom Strom abhängt und der Potentialbarriere UBE = 0,6-0,7 V entspricht. Ohne Zenerdiode DZ beträgt die Ausgangsspannung nach der Spannungsteilerregel UOUT ~ UIN RL/RV+RL. Die DZ-Zenerdiode hält basierend auf der UZ einen konstanten Spannungspegel aufrecht. Aber dann ist UOUT= UZ - UBE ein konstanter Wert und hängt nicht von der Eingangsspannung und dem Laststrom ab. Bei Gleichstrom Last und dementsprechend der Basisstrom, eine Erhöhung der Eingangsspannung Uin ändert den Kollektorstrom nicht, da der dynamische Widerstand des Kollektor-Basis-Übergangs im aktiven Modus des Transistors nahe bei ¥ liegt. Gleichzeitig führt eine Änderung des Laststroms lediglich zu einer Änderung des Basisstroms und dementsprechend zu einer Änderung des Kollektorstroms.

Der Betrieb eines Bipolartransistors im Sättigungsmodus erfordert große Steuerströme, die in Größe und Dauer den geschalteten Strömen entsprechen. Deshalb wurde es vorgeschlagen Thyristor, bestehend aus 4 aufeinanderfolgende p-n-p-n Lagen.

Wenn der Steuerstrom eingeschaltet wird, öffnet sich der erste pn-Übergang (Basis-Emitter des Transistors Q1) und Elektronen vom Emitter beginnen durchzudringen zweiter p-nÜbergang (Basis-Kollektor des Transistors Q1). Gleichzeitig öffnet er dritter p-nÜbergang (Basis-Emitter-p-n-p-Transistor Q2) und dementsprechend der zweite p-n-Übergang (Basis-Kollektor-Transistor Q2). Dadurch ist der Stromfluss in den ersten pn-Übergang gewährleistet und der Steuerstrom wird nicht mehr benötigt. Die tiefe Verbindung aller Übergänge sorgt für deren Sättigung.

So ist es uns mit einem kurzen Steuerstromimpuls gelungen, das System mit einem Spannungsabfall von etwa 2 V in einen gesättigten Zustand zu überführen. Um den Strom in dieser Struktur auszuschalten, müssen wir ihn auf 0 reduzieren, und das ist durchaus so einfach wann harmonisches Signal. Als Ergebnis haben wir leistungsstarke Halbleiterschalter für Netzwerke erhalten Wechselstrom, gesteuert durch kurze Impulse zu Beginn jeder Halbwelle.

Sie können die Leitfähigkeit einer Halbleiterstruktur auch ändern, indem Sie ein elektrisches Feld an sie anlegen, wodurch zusätzliche Träger für den Strom erzeugt werden. Diese Medien werden es sein hauptsächlich und sie müssen nirgendwohin diffundieren. Dieser Umstand bietet zwei Vorteile gegenüber bipolaren Strukturen.

Erstens werden die Zeiten der Leitfähigkeitsänderung verkürzt, und zweitens erfolgt die Steuerung über ein Potentialsignal bei praktisch Nullstrom, d. h. der Hauptstrom ist praktisch unabhängig vom Steuerstrom. Und ein weiterer Vorteil ergab sich aus der Homogenität der Halbleiterstruktur, gesteuert durch ein elektrisches Feld – das ist ein positiver Temperaturkoeffizient des Widerstands, der es ermöglichte, diese Strukturen mittels Mikroelektronik in Form einzelner Mikrozellen (bis zu mehreren Millionen pro) herzustellen cm²) und ggf. parallel schalten.

Nach diesem Prinzip erstellte Transistoren werden aufgerufen Feld(in der ausländischen Literatur FET oder Feldemissionstransistor). Derzeit wurde eine Vielzahl unterschiedlicher Bauformen solcher Geräte entwickelt. Stellen Sie sich einen Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate vor, bei dem die Steuerelektrode ( Tor), vom Halbleiter durch eine Isolierschicht, meist Aluminiumoxid, getrennt. Dieses Design MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) oder MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) genannt. Der Raum eines Halbleiters, in dem unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes zusätzliche Ladungsträger gebildet werden, wird als bezeichnet Kanal, deren Eingang bzw. Ausgang genannt werden Quelle Und Abfluss. Abhängig von der Herstellungstechnologie können Kanäle induziert (p-Leitfähigkeit entsteht im n-Material oder umgekehrt) oder eingebaut (Raum mit p-Leitfähigkeit entsteht im n-Material oder umgekehrt) werden. Die Abbildung zeigt einen typischen horizontalen Aufbau eines MOS-Transistors mit einem induzierten und einem eingebauten p-Kanal.

UGO MOS-Transistor

Hier sind die Übertragungseigenschaften des BUZ11-Transistors, nämlich die Abhängigkeit des Drain-Stroms und der Drain-Source-Spannung von der Gate-Spannung. Es ist zu erkennen, dass das Öffnen des Transistors ab einem bestimmten Wert von Uthr beginnt und er recht schnell in die Sättigung eintritt.

Hier ist die statische Charakteristik des BUZ11-Transistors, nämlich die Abhängigkeit des Drain-Stroms von der Drain-Source-Spannung. Markierungen markieren die Übergangspunkte zum Sättigungsmodus

Die Widerstandsfähigkeit von Feldeffekttransistoren gegenüber Stromüberlastungen, ein hoher Eingangswiderstand, der Steuerverluste erheblich reduzieren kann, eine hohe Schaltgeschwindigkeit und ein positiver Temperaturkoeffizient des Widerstands - all dies ermöglichte es Geräten mit Feldsteuerung, bipolare Geräte nicht nur praktisch zu ersetzen, sondern auch eine neue Richtung in der Elektrotechnik schaffen - intelligente Leistungselektronik, wo Energieströme nahezu beliebiger Stärke gesteuert werden Taktfrequenzen in der Größenordnung von mehreren zehn Kilohertz, also praktisch in Echtzeit.

Allerdings sind Feldeffekttransistoren bei hohen Strömen hinsichtlich der direkten Verluste Bipolartransistoren unterlegen. Wenn drin Bipolartransistor Vorausgesetzt, dass es gesättigt ist, werden die Verluste durch P = IKUpr bestimmt, wobei Upr praktisch unabhängig vom Strom ist und ungefähr gleich der Höhe der Potentialbarriere an zwei offenen Stellen ist p-n-Übergänge, dann in Feldeffekttransistoren P=IC2 Rpr, wobei Rpr hauptsächlich der Widerstand eines homogenen Kanals ist.

Eine Lösung für dieses Problem wurde durch die Kombination der Feldsteuerung mit einem Bipolartransistor gefunden. Dieser Bipolartransistor mit isoliertem Gate ist besser unter dem Handelsnamen IGBT (Insulation Gate Bipolar Transistor) bekannt.

UGO für IGBT

Wie Sie sehen können, wurde hier eine p+-Schicht in die vertikale Struktur des Feldeffekttransistors als Substrat und zwischen Emitter E und Kollektor K eingefügt bipolar p-n-p Transistor. Unter dem Einfluss eines positiven Potentials am Gate G entsteht im p-Bereich ein leitender Kanal, der den Übergang J1 öffnet. Gleichzeitig beginnt die Injektion von Minoritätsladungsträgern tief in die niederohmige n-Schicht hinein, die Schicht J2 öffnet sich leicht und ein Strom beginnt zwischen Kollektor und Emitter zu fließen, unterstützt durch Ladungsträger in der p-Schicht, die den pn-Übergang aufrechterhalten J1 im geöffneten Zustand. Der Spannungsabfall am JGBT wird wie bei einem herkömmlichen Bipolartransistor durch den Spannungsabfall an den offenen pn-Übergängen J1 und J2 bestimmt. Die Abschaltzeiten von JGBT werden durch die Zeiten der Resorption von Minoritätsträgern aus diesen Übergängen bestimmt. Das heißt, das Gerät schaltet sich als Feldeffekttransistor ein und als bipolarer Transistor aus, wie am Beispiel des Schaltens des GA100T560U_IR-Geräts zu sehen ist.

Diese Struktur kann man sich als eine Kombination aus einem Feldeffekt-Steuertransistor und einem bipolaren Haupttransistor vorstellen.

Die Temperaturabhängigkeit des Spannungsabfalls am JGBT wird durch den negativen Koeffizienten am J2-Übergang und den positiven Koeffizienten am p-Schicht-Kanal sowie der n-Schicht bestimmt. Dadurch gelang es den Entwicklern, einen positiven Temperaturkoeffizienten durchzusetzen, der den Weg für die Parallelschaltung dieser Halbleiterstrukturen ebnete und die Schaffung von Geräten für praktisch unbegrenzte Ströme ermöglichte.

Montage auf IGBT zum Schalten

Spannungen bis 3300 V und Ströme

Nichtlineare Elemente sind alle Halbleiter und elektronische Geräte, wobei mit Signalen gearbeitet wird, deren Momentanwerte über einen ziemlich großen Bereich variieren. Aus Gründen der Spezifität betrachten wir nichtlineare Netzwerke mit zwei Anschlüssen, bei denen das Eingangssignal eine Spannung und das Ausgangssignal ein Strom ist
in ihm. Alle Methoden und Ergebnisse lassen sich auf den Fall eines nichtlinearen Vierpolnetzwerks übertragen, beispielsweise eines Transistors, der bei großen Eingangssignalamplituden in einem nichtlinearen Modus arbeitet. Hier wird der Ausgangskreis durch eine von der Eingangsspannung gesteuerte Stromquelle dargestellt. Charakteristisch Das nichtlineare Element stellt eine funktionale nichtlineare Beziehung zwischen der Spannung her
und aktuelle Stärke
in ihm:

(2.1)

IN Trägheitselement momentaner Stromwert
hängt nicht nur vom Spannungswert ab
im selben Moment , sondern auch auf den Werten dieser Spannung zu früheren Zeiten. Trägheitsfrei Elemente existieren streng genommen nicht. Trägheitsfreier Zustand wird ungefähr durchgeführt, wenn die charakteristische Zeit der Änderung des Eingangssignals die Etablierungszeit des Prozesses innerhalb des nichtlinearen Elements selbst deutlich überschreitet. Die Zeit, in Halbleiterbauelementen einen stabilen Zustand herzustellen, ist
Mit.

Die Trägheit von Geräten kann mit der Trägheit von Stromträgern in Verbindung gebracht werden. Wenn die Schwingungsfrequenz zunimmt, beginnt sie sich zu manifestieren, wenn die Zeit, die Träger durch das Gerät durchlaufen, der Schwingungsperiode entspricht. Eine solche Trägheit äußert sich im Auftreten einer Verzögerung (Verschiebung) der Phasen des Ausgangsstroms relativ zur Eingangsspannung, einer Änderung der aktiven Eingangs- und Ausgangswiderstände und deren Umwandlung in komplexe usw. Dadurch werden die Gewinne erhöht von Verstärkern und die Ausgangsleistungen von Generatoren nehmen in der Regel ab. Eine charakteristische Art der Trägheit ist die thermische Trägheit bei Temperaturänderungen und damit beim Widerstand von Thermistoren. Nur bei ausreichend niedriger Schwingfrequenz gelingt es seiner Elementtemperatur, den momentanen Spannungswerten zu folgen. Zum Beispiel schon bei einer Frequenz
Der Hz-Widerstand des Glühlampenfadens hat praktisch keine Zeit, sich zu ändern, was eine gleichmäßige Ausleuchtung gewährleistet. Ähnliche Trägheitselemente werden in Generatoren für harmonische Schwingungen verwendet, um deren Eigenschaften zu verbessern.

Die Berechnung eines nichtlinearen Trägheitsgeräts kann vereinfacht werden, wenn es durch die Verbindung von zwei einfacheren Geräten dargestellt werden kann: einem nichtlinearen inertialfreien Gerät und einem linearen Trägheitsgerät (Filter). Dieser Ansatz kann beispielsweise zur Berechnung eines Resonanz- oder Bandpassverstärkers bei großen Eingangssignalamplituden verwendet werden. Lassen Sie das aktive Element des Verstärkers (Transistor oder Vakuumröhre) kann als trägheitsfreies nichtlineares Gerät dargestellt werden und nichtlineare Verzerrungen in seiner passiven Last (Schwingkreis oder System gekoppelter Kreise) können vernachlässigt werden. Die Last, die reaktive Elemente enthält, wird durch ein lineares Trägheitsgerät angenähert.

Durch gegenseitige Substitutionen in den resultierenden Ausdrücken können wir Ausdrücke für R ab, R bc und R ca erhalten (d. h. Ausdrücke zur Umwandlung eines Sterns in ein Dreieck):

R ab = R a + R b + R a R b ;

R bc = R b + R c + R b R c ;

R ca = R c + R a + R c R a .

1.5.1. allgemeine Informationen

Nichtlinearer Stromkreis ist ein Stromkreis, der ein oder mehrere nichtlineare Elemente enthält [ 1 ] .

Nichtlineares Element Dies ist ein Element eines Stromkreises, dessen Parameter von den sie bestimmenden Größen abhängen (Widerstand eines Widerstandselements aus Strom und Spannung, Kapazität eines kapazitiven Elements aus Ladung und Spannung, Induktivität eines induktiven Elements aus Magnetfluss usw elektrischer Strom).

Daher sehen die Strom-Spannungs-Kennlinie u (i) eines Widerstandselements, die Weber-Ampere-Kennlinie ψ(i) eines induktiven Elements und die Coulomb-Spannungskennlinie q (u) eines kapazitiven Elements nicht wie eine gerade Linie aus (wie im Fall eines linearen Elements), sondern eine bestimmte Kurve, die meist experimentell ermittelt wird und keine exakte analytische Darstellung hat.

Ein nichtlinearer Stromkreis weist eine Reihe wesentlicher Unterschiede zu einem linearen Stromkreis auf und es können in ihm bestimmte Phänomene auftreten

Reis. 1.28. UGO von nichtlinearen ohmschen, induktiven und kapazitiven Elementen

(z. B. Hysterese), daher sind Methoden zur Berechnung linearer Schaltkreise nicht auf nichtlineare Schaltkreise anwendbar. Besonders hervorzuheben ist die Unanwendbarkeit der Superpositionsmethode auf nichtlineare Schaltkreise.

Es ist wichtig zu verstehen, dass die Eigenschaften realer Elemente niemals linear sind, aber in den meisten technischen Berechnungen mit akzeptabler Genauigkeit als linear betrachtet werden können.

Alle Halbleiterelemente (Dioden, Transistoren, Thyristoren usw.) sind nichtlineare Elemente.

Konventionelle grafische Symbole nichtlinearer ohmscher, induktiver und kapazitiver Elemente sind in Abb. dargestellt. 1.28. Der Parameter, der Nichtlinearität verursacht (z. B. die Temperatur für einen Thermistor), kann auf dem Remote-Pad angezeigt werden.

1.5.2. Parameter nichtlinearer Elemente

Nichtlineare Elemente werden durch statische (R st , L st und C st ) und differentielle (R d , L d und C d ) Parameter charakterisiert.

Statische Parameter Das nichtlineare Element ist definiert als das Verhältnis der Ordinate des ausgewählten Punktes der Kennlinie zu seiner Abszisse (Abb. 1.29 ).

Statische Parameter sind proportional zum Tangens des Neigungswinkels der geraden Linie, die durch den Koordinatenursprung und den Punkt gezogen wird, für den die Berechnung durchgeführt wird. Zum Beispiel in Abb. 1,29 erhalten wir:

F st = y A = m y tg α, x A m x

wobei α der Neigungswinkel der Geraden ist, die durch den Koordinatenursprung und den Arbeitspunkt A gezogen wird;

m y und m x sind Skalen entlang der Ordinaten- bzw. Abszissenachse.

Reis. 1.29. Zur Bestimmung statischer und differenzieller Parameter

nichtlineare Elemente

F st = y A, F diff = dy x A dx

Daher haben die statischen Parameter der ohmschen, induktiven und kapazitiven Elemente die folgende Form:

Differentialparameter Nichtlineare Elemente sind definiert als das Verhältnis des kleinen Inkrements der Ordinate des ausgewählten Punktes der Kennlinie zum kleinen Inkrement seiner Abszisse (Abb. 1.29).

Die Differenzparameter sind proportional zum Tangens des Tangentenwinkels im Arbeitspunkt der Kennlinie und der Abszissenachse. Zum Beispiel in Abb. 1,29 erhalten wir:

F diff = dy = m y tan β, dx m x

wobei β der Neigungswinkel der Tangente am Arbeitspunkt B der Kennlinie und der Abszissenachse ist;

m y und m x sind Skalen entlang der Ordinaten- bzw. Abszissenachse. Daher die Differenzparameter von ohmsch, induktiv

Die aktiven und kapazitiven Elemente haben die folgende Form:

1.5.3. Methoden zur Berechnung nichtlinearer Schaltkreise

Die Nichtlinearität der Parameter der Elemente erschwert die Berechnung der Schaltung. Daher versuchen sie als Arbeitsabschnitt entweder einen linearen oder einen nahe daran liegenden Abschnitt der Kennlinie zu wählen und das Element mit akzeptabler Genauigkeit als linear zu betrachten. Ist dies nicht möglich oder ist die Nichtlinearität der Kennlinie der Grund für die Wahl des Elements (dies ist insbesondere typisch für Halbleiterelemente), dann kommen spezielle Berechnungsmethoden zum Einsatz – grafisch, Näherung

(analytisch und stückweise linear) und eine Reihe anderer. Schauen wir uns diese Methoden genauer an.

Grafische Methode

Die Idee der Methode besteht darin, die Eigenschaften der Schaltungselemente (Volt-Ampere u (i), Weber-Ampere ψ(i) oder Coulomb-Volt q (u)) zu konstruieren und diese dann grafisch darzustellen Transformationen (z. B. Addition) erhalten die entsprechende Charakteristik für den gesamten Stromkreis oder seinen Abschnitt.

Die grafische Berechnungsmethode ist die einfachste und intuitivste Methode und bietet die erforderliche Genauigkeit für den Großteil der Berechnungen. Sie ist jedoch für eine kleine Anzahl nichtlinearer Elemente in der Schaltung anwendbar und erfordert Sorgfalt bei der Durchführung grafischer Konstruktionen.

Ein Beispiel für die Berechnung einer nichtlinearen Schaltung mit einer grafischen Methode für eine Reihenschaltung von linearen und nichtlinearen Widerstandselementen ist in Abb. dargestellt. 1.30, a, für parallel – in Abb. 1,30, geb.

Bei der Berechnung einer Reihenschaltung in einer Achse werden die Eigenschaften aller berechneten Elemente konstruiert (im betrachteten Beispiel ist dies u ne (i) für einen nichtlinearen Widerstand R ne und u le (i) für einen linearen R le). Die Art der Änderung der Gesamtspannung im Stromkreis u (i) wird durch Addition der Eigenschaften der nichtlinearen u ne (i)- und linearen u le (i)-Elemente u (i) = u ne (i) + u bestimmt le (i). Die Zugabe erfolgt bei identische Werte Strom (für i = i 0: u 0 = u ne 0 + u le 0, siehe Abb. 1.30, a.).

Die Berechnung einer Parallelschaltung erfolgt analog, nur wird durch Addition der Ströme bei konstanter Spannung die Kennlinie der Gesamtschaltung konstruiert (für u = u 0: i 0 = i ne 0 + i le 0, siehe Abb. 1.30). , B.).

Reis. 1.31. Aktiver linearer Zweipolschalter als Ersatzschaltung für ein nichtlineares Element

Näherungsverfahren

Die Idee der Methode besteht darin, die experimentell gewonnene Charakteristik eines nichtlinearen Elements durch einen analytischen Ausdruck zu ersetzen.

Es gibt analytische Näherungen , bei dem die Charakteristik des Elements durch eine analytische Funktion (z. B. linear) ersetzt wird y = ax + b, ste-

som y = a th βx und andere) und stückweise

linear, bei dem die Charakteristik eines Elements durch eine Reihe geradliniger Elemente ersetzt wird

Liniensegmente. Analytische Näherungsgenauigkeit

mation wird durch die richtige Wahl der Näherungsfunktion und die Genauigkeit der Auswahl der Koeffizienten bestimmt. Der Vorteil der stückweisen linearen Approximation liegt in der einfachen Handhabung und der Möglichkeit, das Element als linear zu betrachten.

Darüber hinaus können in dem begrenzten Bereich der Signaländerungen, in dem ihre Änderungen als linear angesehen werden können (d. h. Kleinsignalmodus) kann das nichtlineare Element mit akzeptabler Genauigkeit durch einen äquivalenten linearen aktiven Zweipolkreis ersetzt werden (Abb. 1.31, der Zweipolkreis wird in § 2.3.4 ausführlicher besprochen), wo Strom und Spannung sind durch den Ausdruck verbunden:

U = E + Rdiff I,

Dabei ist Rdif der Differenzwiderstand des nichtlinearen Elements im linearisierbaren Abschnitt.

Ein Beispiel für die analytische Approximation der Eigenschaften einer Halbleiterdiode unter Verwendung einer Funktion der Form i = a (e bu − 1) ist in Abb. dargestellt. 1.32, b, stückweise lineare Näherung – in Abb. 1.32, in, die anfänglichen Eigenschaften der Diode sind in Abb. dargestellt. 1,32, a.

Reis. 1.32. Annäherung an die Eigenschaften einer Halbleiterdiode.

a ist die Anfangskennlinie der Diode;

b – analytische Näherung unter Verwendung einer Funktion der Form i = a (e bu − 1);

c – stückweise lineare Näherung.