Jeigu priklausomybė U(aš) arba aš(U linijinis o jo varža R pastovi ( R =c onst ) , tada taip elementas paskambino linijinis (LE) , ir elektros grandinė, kurią sudaro tik iš linijinių elementų – tiesinė elektros grandinė .

CVC linijinis elementas simetriškas ir yra tiesi linija, einanti per koordinačių pradžią (16 pav., 1 kreivė). Taigi, Omo dėsnis tenkinamas tiesinėse elektros grandinėse.

Jeigu priklausomybė U(aš) arba aš(U) bet kuris elektros grandinės elementas Ne linijinis, o jo varža priklauso nuo jame esančios srovės arba įtampos jo gnybtuose ( R ≠s onst ) , tada taip elementas paskambino Ne linijinis (NE) ir elektros grandinę, jei yra mažiausiai vienas netiesinis elementas – netiesinė elektros grandinė .

Netiesinių elementų srovės-įtampos charakteristikos nėra tiesmukas, o kartais gali būti asimetriškas, pavyzdžiui, puslaidininkiniuose įrenginiuose (16 pav., kreivės 2, 3, 4). Taigi netiesinėse elektros grandinėse srovės ir įtampos santykis nepaklūsta Omo dėsnis.

Ryžiai. 16. Tiesinių ir netiesinių elementų srovės įtampos charakteristikos:

kreivė 1– CVC LE (rezistorius); kreivė 2– NE CVC (kaitinamosios lempos su metaliniu siūlu); kreivė 3– NE CVC (kaitinamosios lempos su anglies siūlu;

kreivė 4- NE CVC (puslaidininkinis diodas)

Pavyzdys linijinis elementas yra rezistorius.

Pavyzdžiai netiesiniai elementai yra: kaitinamosios lempos, termistoriai, puslaidininkiniai diodai, tranzistoriai, dujų išlydžio lempos ir kt. Simbolis NE parodyta fig. 17.

Pavyzdžiui, padidėjus srovei, tekančiai per elektros lempos metalinį siūlą, jos įkaitimas didėja, taigi ir atsparumas. Taigi kaitrinės lempos varža nėra pastovi.

Apsvarstykite toliau pateiktą pavyzdį. Pateikiamos lentelės su elementų varžos vertėmis esant įvairioms srovės ir įtampos vertėms. Kuri iš lentelių atitinka tiesinį, kuri netiesinį elementą?

3 lentelė

4 lentelė

Atsakykite į klausimą: Kuris grafikas rodo Ohmo dėsnį? Kurį elementą atitinka šis grafikas?

1 2 3 4

Ką galite pasakyti apie 1, 2 ir 4 grafikus? Kokie elementai apibūdina šiuos grafikus?

Netiesinis elementas bet kuriame srovės-įtampos charakteristikos taške pasižymi statine varža, kuri lygi šį tašką atitinkančiam įtampos ir srovės santykiui (18 pav.). Pavyzdžiui, dėl taško A :

.

Be statinės varžos, netiesiniam elementui būdinga diferencinė varža, kuri suprantama kaip be galo mažo arba labai mažo įtampos prieaugio ∆U ir atitinkamo prieaugio ∆I santykis (18 pav.). Pavyzdžiui, dėl taško A Galima parašyti srovės-įtampos charakteristiką

Kur β – per tašką nubrėžtos liestinės pasvirimo kampas A .

Šios formulės sudaro analitinio paprasčiausių netiesinių grandinių skaičiavimo metodo pagrindą.

Pažiūrėkime į pavyzdžius. Jei netiesinio elemento statinė varža, esant įtampai U 1 = 20 V, yra lygi 5 omai, tada srovės stipris I 1 bus ...

Netiesinio elemento statinė varža esant 2 A srovei bus ...

Išvada dėl trečiojo klausimo: atskirti tiesinius ir netiesinius elektros grandinės elementus. Omo dėsnis negalioja netiesiniams elementams. Netiesiniai elementai kiekviename srovės įtampos charakteristikos taške apibūdinami statine ir diferencijuota varža. Netiesiniai elementai apima visus puslaidininkinius įtaisus, dujų išlydžio lempas ir kaitrines lempas.

Klausimas Nr. 4. Grafinis netiesinio skaičiavimo metodas

elektros grandinės (15 min.)

Norėdami apskaičiuoti netiesinį elektros grandinės naudojami grafiniai ir analitiniai skaičiavimo metodai. Grafinis metodas yra paprastesnis ir mes jį apsvarstysime išsamiau.

Tegul EML šaltinis E Su vidinis pasipriešinimas r 0 tiekia du netiesinius elementus arba varžas, sujungtas nuosekliai NS1 Ir NS2 . Žinomas E , r 0 , srovės-įtampos charakteristika 1 NS1 ir srovės-įtampos charakteristikos 2 NS2. Būtina nustatyti srovę grandinėje aš n

Pirmiausia sukuriame tiesinio elemento srovės įtampos charakteristiką r 0 . Tai tiesi linija, einanti per pradžią. Įtampa U, krintanti per grandinės varžą, nustatoma pagal išraišką

Norėdami sukurti priklausomybę U = f ( aš ) , būtina grafiškai pridėti srovės-įtampos charakteristiką 0, 1 Ir 2 , susumavus ordinates, atitinkančias vieną abscisę, paskui kitą ir t.t. Gauname kreivę 3 , kuri yra visos grandinės srovės įtampos charakteristika. Aš naudoju šią srovės įtampos charakteristiką ir randu srovę grandinėje aš n , atitinkanti įtampą U = E . Tada, naudojant rastą srovės vertę, pagal srovės įtampos charakteristiką 0, 1 Ir 2 rasti reikiamą įtampą U 0 , U 1 , U 2 (19 pav.).

Tegul EML šaltinis E su vidine varža r 0 tiekia du lygiagrečiai sujungtus netiesinius elementus arba varžas NS1 Ir NS2 , kurio srovės-įtampos charakteristikos žinomos. Būtina nustatyti srovę grandinės šakose aš 1 Ir aš 2 , įtampos kritimas per šaltinio ir netiesinių elementų vidinę varžą.

Srovės-įtampos charakteristikos kūrimas aš n = f ( U ab ) . Norėdami tai padaryti, grafiškai pridedame srovės įtampos charakteristiką 1 Ir 2 , sumuojant abscises, atitinkančias vieną ordinatą, tada kitą ordinatą ir kt. Sukuriame visos grandinės srovės įtampos charakteristiką (kreivė 0,1,2 ). Norėdami tai padaryti, grafiškai pridedame srovės įtampos charakteristiką 0 Ir 1,2 , sumuojant tam tikras abscises atitinkančias ordinates.

Aš naudoju šią srovės įtampos charakteristiką ir randu srovę grandinėje aš n , atitinkanti įtampą U = E .

Aš naudoju srovės įtampos charakteristiką 1,2 , nustatykite įtampą U ab , atitinkanti rastą srovę aš n , ir vidinės įtampos kritimas U 0 , atitinkančią šią srovę. Tada, naudojant srovės įtampos charakteristiką 1 Ir 2 rasti reikiamas sroves aš 1 , aš 2 , atitinkanti rastą įtampą U ab (20 pav.).

Apsvarstykite šiuos pavyzdžius.

Kai nuosekliai jungiamos netiesinės varžos su charakteristikomis R 1 ir R 2, jei lygiavertės varžos charakteristika R E ...

bus žemiau charakteristikos R 1

pereis virš charakteristikos R 1

praeis, atitinkanti charakteristiką R 1

bus žemiau charakteristikos R 2

Kai linijinės ir netiesinės varžos, kurių charakteristikos a ir b yra sujungtos nuosekliai, lygiavertės varžos charakteristika...

praeis žemiau charakteristikos a

pereis aukščiau charakteristikos a

praeis, atitinkantis charakteristiką a

bus žemiau charakteristikos b

Išvada dėl ketvirtojo klausimo: Netiesinės nuolatinės srovės elektros grandinės sudaro elektroninių grandinių pagrindą. Yra du jų apskaičiavimo būdai: analitinis ir grafinis. Grafinis skaičiavimo metodas leidžia lengviau nustatyti visus reikiamus parametrus netiesinė grandinė.

Tie elektros grandinės elementai, kurių srovės priklausomybė nuo įtampos I(U) arba įtampos nuo srovės U(I), taip pat varža R yra pastovi, vadinami tiesiniais elektros grandinės elementais. Atitinkamai, grandinė, susidedanti iš tokių elementų, vadinama linijine elektros grandine.

Tiesiniams elementams būdinga linijinė simetriška srovės-tampos charakteristika (voltų-amperų charakteristika), kuri atrodo kaip tiesi linija, einanti per koordinačių pradžią tam tikru kampu į koordinačių ašis. Tai rodo, kad tai griežtai tenkinama linijiniams elementams ir linijinėms elektros grandinėms.

Be to, galima kalbėti ne tik apie elementus su grynai aktyvia varža R, bet ir apie tiesinius induktyvumus L ir talpas C, kur magnetinio srauto priklausomybė nuo srovės - Ф(I) ir kondensatoriaus įkrovos priklausomybė nuo įtampa tarp jo plokščių – q bus pastovi (U).

Ryškus linijinio elemento pavyzdys yra . Srovė per tokį rezistorių tam tikrame darbinės įtampos diapazone tiesiogiai priklauso nuo varžos vertės ir nuo rezistoriui taikomos įtampos.

Netiesiniai elementai

Jei elektros grandinės elementui srovės priklausomybė nuo įtampos arba įtampos nuo srovės, taip pat varža R nėra pastovi, tai yra, ji kinta priklausomai nuo srovės arba nuo naudojamos įtampos, tada tokie elementai vadinami netiesiniais. , ir atitinkamai elektros grandinė, kurioje yra bent vienas netiesinis elementas , pasirodo.

Netiesinio elemento srovės įtampos charakteristika grafike nebėra tiesi linija; ji yra netiesi ir dažnai asimetriška, pavyzdžiui, puslaidininkinis diodas. Netiesiniams elektros grandinės elementams Ohmo dėsnis netaikomas.

Šiame kontekste galima kalbėti ne tik apie kaitinamąją lempą ar puslaidininkinį įtaisą, bet ir apie netiesinius induktyvumus ir talpas, kuriuose magnetinis srautas Ф ir krūvis q yra netiesiškai susiję su ritės srove arba įtampa tarp kondensatoriaus plokščių. . Todėl jiems Weberio ampero charakteristikos ir kulonų įtampos charakteristikos bus netiesinės, jos nurodomos lentelėmis, grafikais arba analitinėmis funkcijomis.

Netiesinio elemento pavyzdys yra kaitrinė lempa. Didėjant srovei per lempos siūlelį, jos temperatūra didėja, o varža didėja, vadinasi, ji nėra pastovi, todėl šis elementas elektros grandinė yra netiesinė.

Netiesiniams elementams būdinga tam tikra statinė varža kiekviename jų srovės ir įtampos charakteristikos taške, tai yra, kiekvienam įtampos ir srovės santykiui kiekviename grafiko taške priskiriama tam tikra varžos vertė. Jį galima apskaičiuoti kaip grafiko kampo alfa liestinę su horizontalia ašimi I, tarsi šis taškas būtų tiesiniame grafike.

Netiesiniai elementai taip pat turi vadinamąją diferencinę varžą, kuri išreiškiama be galo mažo įtampos prieaugio ir atitinkamo srovės pokyčio santykiu. Ši varža gali būti apskaičiuojama kaip kampo tarp srovės įtampos charakteristikos liestinės tam tikrame taške ir horizontaliosios ašies liestinė.

Šis metodas leidžia atlikti paprasčiausią analizę ir skaičiavimą tiesinės grandinės.

Aukščiau pateiktame paveikslėlyje parodyta tipinės srovės įtampos charakteristika. Jis yra pirmame ir trečiame koordinačių plokštumos kvadrantuose, o tai rodo, kad esant teigiamai arba neigiamai įtampai, nukreiptai į diodo p-n sandūrą (viena ar kita kryptimi), bus į priekį arba atgal. diodo p-n jungtis. Didėjant diodo įtampai bet kuria kryptimi, srovė pirmiausia šiek tiek padidėja, o paskui smarkiai padidėja. Dėl šios priežasties diodas priskiriamas nevaldomam netiesiniam dviejų gnybtų įrenginiui.

Šiame paveikslėlyje parodyta tipinių IV charakteristikų šeima skirtingomis apšvietimo sąlygomis. Pagrindinis fotodiodo veikimo režimas yra atvirkštinis poslinkis, kai esant pastoviam šviesos srautui F srovė praktiškai nekinta gana plačiame darbinių įtampų diapazone. Esant tokioms sąlygoms, šviesos srauto, apšviečiančio fotodiodą, moduliacija tuo pačiu metu moduliuoja srovę per fotodiodą. Taigi fotodiodas yra valdomas netiesinis dviejų gnybtų įrenginys.

Tai yra srovės įtampos charakteristika; čia galite pamatyti aiškią jos priklausomybę nuo valdymo elektrodo srovės vertės. Pirmame kvadrante yra darbinė tiristoriaus dalis. Trečiame kvadrante srovės-įtampos charakteristikos pradžia yra maža srovė ir didelė taikoma įtampa (užrakintoje būsenoje tiristoriaus varža yra labai didelė). Pirmame kvadrante srovė didelė, įtampos kritimas mažas – tiristorius šiuo metu atidarytas.

Perėjimo iš uždaros į atvirą būseną momentas įvyksta, kai į valdymo elektrodą patenka tam tikra srovė. Perjungimas iš atviros būsenos į uždarą įvyksta, kai sumažėja srovė per tiristorių. Taigi tiristorius yra valdomas netiesinis trijų gnybtų tinklas (kaip tranzistorius, kuriame kolektoriaus srovė priklauso nuo bazinės srovės).

Turinys. Netiesiniai elementai. Magnetinių medžiagų prisotinimas. Ferroelektrikai, varistoriai ir posistoriai. Netiesiniai rezistoriai. Puslaidininkinis diodas ir jo srovės-įtampos charakteristika. Bipolinių tranzistorių ir tiristorių konstrukcijos koncepcija. Linijinis įtampos stabilizatorius. Lauko tranzistoriaus ir izoliuotų vartų dvipolio tranzistoriaus (IGBT) veikimo principas.

Elementų R, C, L reikšmės buvo įvestos kaip koeficientai tarp srovės ir įtampos (R), įkrovos ir įtampos (C) bei magnetinio srauto ir srovės (L). Be to, iš šių santykių buvo suformuluotas apibendrintas Ohmo dėsnis.

Svarstant paprasčiausias problemas, buvo daroma prielaida, kad šios vertės nepriklauso nuo elektromagnetinės energijos, tekančios per šiuos elementus. Mums labai patiko manipuliuoti vadinamaisiais linijiniais elementais ir netgi pasirinkti atitinkamus „linijinius“ komponentus.

Tačiau linijiniai komponentai gamtoje neegzistuoja!

Jie gali turėti maždaug tiesiniai parametrai tik tam tikrame srovių ir įtampų diapazone. Bet kuri medžiaga, vienaip ar kitaip veikiama elektromagnetinių laukų, keičia savo struktūrą ir atitinkamai fizines savybes, būtent varžą, dielektrinį ir magnetinį laidumą ir net geometrinę formą. Todėl keičiasi ir komponentų, pagamintų iš šių medžiagų, parametrai, nes R=rl/s; C»es/l; L» ms/l. Jei šie pokyčiai nėra reikšmingi, kalbame apie elementų ir atitinkamų komponentų tiesiškumą. Priešingu atveju būtina atsižvelgti į šiuos pokyčius ir tada turėtume apie tai kalbėti netiesiniai elementai ir komponentai.

Netiesinių elementų UGO lygiavertėse grandinėse yra tokios formos:

netiesinis rezistorius

induktorius su magnetine šerdimi

netiesinis kondensatorius - varicap

Netiesiniai elementai plačiai naudojami elektros grandinėse, kad pakeistų signalo formą, kitaip tariant, sužadintų arba sugertų tam tikras harmonikas, kurios sudaro signalą.

Matematikos požiūriu, šiuo atveju koeficientai, sudaryti iš R, C, L priklauso nuo nežinomų parametrų (srovės ir įtampos), o energijos lygtys, sudarytos pagal Kirchhoff taisykles, tampa netiesinis su visomis iš to išplaukiančiomis pasekmėmis skaičiavimams.

Dažniausi jų sprendimo būdai yra šie:

- aproksimacija, kai žinoma netiesinė elemento vertės priklausomybė nuo srovės ar įtampos aproksimuojama tiesinių funkcijų segmentais ir kiekvienai iš jų gaunami tiesinių lygčių sprendiniai;

- grafinis metodas kai išspręstos lygtys grafiškai naudojant

žinomos netiesinės grafinės elemento priklausomybės nuo srovės arba įtampos;

- mašininis metodas, kai elemento reikšmės netiesinė priklausomybė nuo srovės ar įtampos aproksimuojama modelio matematine funkcija ir skaitiniais metodais išsprendžiamos integrodferencinės netiesinės lygtys.

netiesinis induktyvumas naudojamas elektrotechnikoje Weber-amp charakteristikos, kurios yra panašios į BH histerezės kreives feromagnetinėms medžiagoms, kurias mėgsta naudoti fizikai. Jei Weberio amperinėje charakteristikoje L=dY/dI, tai HV kreivėse m=dB/dH, bet Y=NBS, ir H»I/r. Kartais jie naudojasi voltų sekundės charakteristika, nes Y=òUdt.

Apytiksliai ši charakteristika paprastai skirstoma į dalis: prieš prisotinimą tai tiesi linija su nuolydžiu m =dB/dH, o po prisotinimo val Vm tai tiesi linija su m = 1. Liekamosios įmagnetinimo vertės INr ir prievarta NS nustatyti plotą, kurį užima histerezės kilpa, t.y. aktyvius nuostolius dėl įmagnetinimo apsisukimo. Todėl daugeliu atvejų į juos galima atsižvelgti į grandinę įvedant varžinį elementą ir neįtraukti į Weberio ampero charakteristikos aproksimaciją.

Induktorių su tiesinėmis charakteristikomis darbo režimas parenkamas didelėmis m arba L reikšmėmis. magnetiniai prietaisai, pavyzdžiui, droseliai, skirti saugoti magnetinę energiją, transformatoriai, skirti galiai perduoti per magnetinę ritinių jungtį, taip pat elektros varikliai. Tuo pačiu metu magnetinių medžiagų netiesiškumo efektas yra plačiai naudojamas kuriant magnetinius stiprintuvus, ferorezonansinius stabilizatorius ir net magnetinius raktinius elementus, kuriuose naudojamos magnetinės medžiagos su vadinamąja stačiakampe magnetine charakteristika, kur m gali pasiekti 50 ar daugiau. Šiuo metu induktoriuose daugiausia naudojamos 3 tipų magnetinės medžiagos: elektrinis plienas, amorfinė geležis (metastiklas) Ir feritai su labai skirtingomis histerezės kreivėmis.

Netiesiniai induktoriai istoriškai buvo pirmieji sukurti dėl magnetinių medžiagų prieinamumo ir mažos kainos, taip pat dėl ​​jų gamybos paprastumo. Jie visų pirma išsiskiria savo patikimumu, tačiau turi dideles svorio ir dydžio charakteristikas, taigi ir didelę inerciją. Įmagnetinimo atbulinės eigos nuostoliai ir aktyvieji nuostoliai dėl apvijų šildymo taip pat yra rimta problema, ypač energetikos elektrotechnikoje. Todėl šiuo metu netiesinių induktorių naudojimas yra ribotas.

Atvaizduoti priklausomybę netiesinė talpa naudoti kulonų voltų charakteristikos, nes C=dQ/dU.

Jie yra panašūs į feromagnetines Weber-amper charakteristikas, tik čia yra dielektrinė konstanta e=dD/dE, kur D yra elektrinė indukcija arba elektrinis poslinkis.

Įdomiausias netiesinių kondensatorių kūrimo dielektrikas yra feroelektrikai, pavyzdžiui, Rochelle druska (kalio natrio tartratas), bario titanatas, bismuto titanatas ir kt. Dėl elektrinių dipolių srities struktūros, esant žemai įtampai, jie turi didelę dielektrinę konstantą su e » 1000, kuri didėja didėjant įtampai, panašiai kaip feromagnetų magnetinis pralaidumas . Todėl užsienio literatūroje jie buvo vadinami feroelektrikai. Šios medžiagos plačiai naudojamos kuriant linijinius talpinius elementus, tokius kaip keraminiai kondensatoriai su dideliu elektros energijos tankiu, kur jie veikia nesočiajame kulonų įtampos charakteristikos srityje. Netiesiškumas naudojamas kuriant kintamos talpos kondensatorius, varikonos, kurių taikymas yra siauras.

Kintamajame feroelektrikos lauke kinta dipolių, susijungusių į didelius domenus, esančius kristalinėse struktūrose, elektrinio momento kryptis. Tai lemia kristalo geometrinių matmenų pasikeitimą, vadinamąjį efektą elektrostrikcija. Panašus poveikis yra ir magnetinėse medžiagose magnetostrikcija, tačiau jį sunku naudoti dėl išorinės apvijos. Kai kuriose feroelektrinių kristalų grupėse pastebimas poveikis, panašus į elektrostrikciją. Tai tiesioginis pjezoelektrinis efektas – elektrinio lauko (poliarizacijos) atsiradimas kristale jo mechaninės deformacijos metu ir atgal– mechaninė deformacija atsiradus elektriniam laukui. Šios kristalinės medžiagos vadinamos pjezoelektra, ir jie buvo labai naudojami. Norint gauti, naudojamas tiesioginis poveikis aukštos įtampos, pirminiuose mechaninių jėgų keitikliuose (pavyzdžiui, mikrofonuose, garso imtuvuose mechaninėse garso įrašymo sistemose) ir kt. Priešingas efektas naudojamas garso ir ultragarso skleidėjams, itin tiksliose padėties nustatymo sistemose (galvos judėjimo padėties nustatymo įtaisuose). kietasis diskas) ir tt Kuriant naudojami abu efektai rezonansiniai kristaliniai osciliatoriai, kur kristalų matmenys parenkami taip, kad mechaniniai virpesiai rezonuotų su elektriniais. Esant labai aukštam tokios sistemos kokybės koeficientui, užtikrinamas generatoriaus dažnio nustatymų stabilumas ir tikslumas. Du tokie kristalai, turintys garso jungtį, gali perduoti elektros energiją be galvaninio ryšio, tam jie ir vadinami pjezotransformatoriai.

Tiek elektrinių, tiek magnetinių dipolių srities struktūra suyra tam tikroje temperatūroje, vadinamoje Curie tašku. Tokiu atveju įvyksta fazinis perėjimas ir labai pasikeičia feroelektro laidumas. Tuo remdamiesi jie veikia posistoriai, kuriame, papildomai naudojant medžiagą, galima nustatyti tam tikrą Curie tašką. Pasiekus šią temperatūrą, pasipriešinimo padidėjimo greitis gali siekti 1 kOhm/deg.

Iš esmės tai netiesinis rezistorius, kuris turi S formą arba „raktą“ srovės-tampos charakteristika (voltų-amperų charakteristika).

Tai reiškia, kad šis elementas gali veikti kaip elektros jungiklis, valdomas praeinančios srovės arba išorinės temperatūros.

PTC rezistoriai plačiai naudojami apsaugai nuo srovės perkrovų analoginiuose telefonų tinkluose, taip pat magnetinei energijai atleisti nuo ritės juos išjungus, švelniam variklių užvedimui ir pan. Jie rado gana įdomų pritaikymą kaip reguliuojami kuro elementai ventiliatoriuje. šildytuvai, kuriuose pats elementas yra beveik pastovioje temperatūroje, o sunaudota elektros galia automatiškai palaikoma lygi pašalintai šiluminei galiai. Tai yra, ventiliatoriaus sukimosi greitį galima reguliuoti pagal tokio šildymo įrenginio šiluminę galią.

Naudojant kitą feroelektrinio dopingo tipą, galima pasiekti netiesinės jo laidumo priklausomybės nuo įtampos efektą, t. y. iš tikrųjų tai yra netiesinis rezistorius, paskambino varistorius. Šis poveikis atsiranda dėl plonų medžiagos sluoksnių, supančių domenus, laidumo pasikeitimo esant tam tikrai įtampai. Todėl jie apibūdinami srovės-įtampos charakteristika, kur funkcija U(I) gali būti pavaizduota penktojo laipsnio daugianario. Patogu charakterizuoti netiesinius rezistorius, kurių statinė varža Rst = U/I ir diferencinė varža Rd = dU/dI. Matyti, kad tiesinėje atkarpoje Rst ~ Rd, netiesinėje atkarpoje Rst £ Rd.

Pagrindinis jų pritaikymas yra elektros grandinių apsauga nuo pavojingų viršįtampių perjungimo viršįtampių. Varistoriuje tokio viršįtampio energija paverčiama aktyvia energija ir šildo jos masę. Todėl varistoriai išsiskiria dviem pagrindiniais parametrais – įtampa, kuriai esant nutrūksta srovės-įtampos charakteristika, ir energija, kurią elementas gali sugerti nepaveikdamas jo veikimo.

Netiesiniai rezistoriaiįvairios rūšys užima didelę vietą šiuolaikinėje elektrotechnikoje. Paprastai tariant, bet kuris laidininkas yra netiesinis. Jei praleidžiate srovę per įprastą vario laidą, iš pradžių jos varža, kaip žinoma, pasikeis kaip R0(1+αT). Ši priklausomybė išliks tol, kol viela išsilydys, o tada pasipriešinimas išliks pastovus, kol medžiaga išgaruos. Ir šioje būsenoje viela iš tikrųjų tampa izoliatoriumi.

Laidininko varža R yra atvirkščiai proporcinga srovės tankiui, todėl pliko vario laidininko varža laikoma tiesine iki srovės tankio 10 A/mm2 . Kai šiluma pašalinama iš laidininko, ši vertė mažėja. Pavyzdžiui, induktoriaus apvijoje ši vertė gali būti lygi 2 A/mm2. Kadangi viršijus šias srovės tankio vertes, atsiranda vis didesnis šiluminės energijos išsiskyrimas, dėl kurio ji tirpsta, jie laikomi leistinos srovės tankio vertės ir naudojami renkantis saugius laidininkų skerspjūvius.

Jie dirba šiuo principu saugiklius, laidininko skerspjūvis, kuriame atitinka ribinę per jį einančios srovės vertę. Bet jei į laidą įvedama didesnė nei 1010 W/g galia, garavimas, aplenkdamas lydymosi stadiją, vyks adiabatiniu keliu ir nuo paviršiaus garuojančių dujų slėgio banga sukurs milžinišką medžiagos tankį. medžiaga. Šiuo atveju buvo įmanoma išlaisvinti aukso atomus iš jų elektronų apvalkalo ir atlikti termobranduolines reakcijas.

Esant tam tikrai įtampai, kurios pakanka, kad dujose atsirastų pakankamas nešiklių skaičius elektros krūviai, dujų tarpelyje pradeda tekėti elektros srovė. Šis reiškinys vadinamas dujų išleidimas, o pats dujų iškrovos tarpas gali būti laikomas netiesine varža su tokia srovės-įtampos charakteristika.

Dujų išleidimo įtaisai tapo labai plačiai paplitę kaip indikatoriai, suvirinimo aparatai ir lydymo įrenginiai, elektros jungikliai ir plazminiai cheminiai reaktoriai ir kt.

1873 metais F. Guthrie atrado netiesinio laidumo efektą vakuuminiame vamzdyje su termioniniu katodu. Kai katodas turėjo neigiamą potencialą, jo elektronai sukūrė elektros srovę, o esant priešingam poliškumui jie buvo užfiksuoti prie katodo ir lempoje praktiškai nebuvo nešėjų. Ilgam laikuišis efektas nebuvo paklausus, kol 1904 m. radijo inžinerijos poreikiai paskatino sukurti terminį (vakuuminį) diodą. Ir kadangi tokiame įrenginyje elektrinis laukas yra atsakingas už laidumą, papildomų mažų potencialų įvedimas leidžia valdyti elektronų srautą, t. elektros šokas. Taip jie buvo sukurti elektrinio lauko valdomi netiesiniai rezistoriai (radijo lempos), kuris pakeitė dideles, inercines ir srovės valdomas netiesines magnetines sistemas. Pagrindiniai radijo lempų trūkumai buvo šildomas katodas, kuriam reikalingas atskiras maitinimo šaltinis ir tinkamas aušinimas, bei gana dideli matmenys dėl vakuuminės kolbos.

Todėl beveik vienu metu su vakuuminiu (termioniniu) diodu, kietojo kūno diodas, pagrįstas p-n perėjimas, kuri susidaro dviejų puslaidininkių sąlyčio taške su skirtingi tipai laidumas. Tačiau technologiniai sunkumai gaminant grynas puslaidininkines medžiagas šiek tiek atitolino šių elementų įdiegimą radijo lempose.

Kai susiliečia dvi skirtingo laidumo sritys, jų krūvininkai tarpusavyje prasiskverbia (difuzuoja) į gretimą sritį, kur jie nėra pagrindiniai nešėjai. Tokiu atveju nekompensuoti akceptoriai (neigiami krūviai) lieka p-regione, o nekompensuoti donorai (teigiami krūviai) lieka n-regione, kurie formuojasi. erdvės krūvio sritis(SCR) su elektriniu lauku, kuris neleidžia toliau skleisti krūvininkų. Zonoje p-perėjimas n sukuriama pusiausvyra su kontaktinio potencialo skirtumu, kuris siliciui, kuris plačiai naudojamas puslaidininkiniuose įrenginiuose, siekia 0,7 V.

Kai prijungiamas išorinis elektrinis laukas, šis balansas sutrinka. Esant priekiniam poslinkiui („+“ p tipo srityje), SCR plotis mažėja, o mažumos nešiklio koncentracija didėja eksponentiškai. Juos kompensuoja pagrindiniai nešikliai, ateinantys per kontaktus iš išorinės grandinės, kuri sukuria nuolatinė srovė, didėja eksponentiškai didėjant tiesioginei poslinkio įtampai.

Esant atvirkštiniam poslinkiui („-“ p tipo srityje), SCR plotis didėja ir mažumos nešėjų koncentracija mažėja. Į šią zoną patenka ne pagrindiniai vežėjai, o esami atvirkštinė srovė sukelia tik mažumos nešėjų pašalinimas iš SCR ir nepriklauso nuo naudojamos įtampos. Priekinės ir atbulinės eigos srovės gali skirtis 105–106 kartus, sudarydamos reikšmingą srovės-įtampos charakteristikos netiesiškumą. Esant tam tikram atvirkštinės įtampos dydžiui, krūvininkai laisvo judėjimo metu gali įgyti energijos, kurios pakaktų naujoms krūvių poroms susidaryti, kai jie susiduria su neutraliais, kurie savo ruožtu įgyja energiją ir dalyvauja naujų porų gimime. Susidariusi lavinos srovė nušluoja visas potencialias kliūtis savo kelyje, paversdama puslaidininkį įprastu laidininku.

UGO puslaidininkinis diodas

Tipinė p-n sandūros (diodo) srovės ir įtampos charakteristikos forma

„Idealaus“ diodo apytikslis rodiklis yra idealus elektros jungiklis, valdomas įtampos poliškumo. Tačiau čia neatsižvelgiama į tokius parametrus kaip:

1) Priekinės įtampos kritimas kai teka nuolatinė srovė, kuri daugelyje realių įrenginių yra 1 -1,5 V, ir dėl to susidaro aktyvieji nuostoliai P = (1¸1,5)I, taigi, elementas įkaista ir riboja konkretaus elemento sroves. Aušinimo puslaidininkinių įtaisų šiluminių problemų sprendimas, taip pat jų šiluminis stabilumas yra viena iš pagrindinių projektavimo problemų. elektros prietaisai. Atvirkščiai proporcinga tiesioginės įtampos kritimo priklausomybė nuo temperatūros riboja įrenginių su p-n sandūromis naudojimą lygiagrečiose jungtyse.

2) Atvirkštinės srovės, kurių galima nepaisyti tik tuo atveju, jei jos yra keliomis eilėmis mažesnės už tiesiogines sroves.

3) Lavinos gedimo įtampa, kuris nustato elemento veikimo ribą esant atvirkštinei įtampai, į kurią reikia atkreipti dėmesį, ypač dirbant su impulsiniais indukciniais elementais. Tačiau bendras kristalo storis riboja atvirkštinę įtampą iki 1–2 kV. Toliau didinti atvirkštinę įtampą galima tik nuosekliai surenkant elementus, išlyginus atvirkštines sroves.

4) Laikinosios charakteristikos ypač atsigavimo laikas(perėjimo iš laidžios į nelaidžią būseną laikas), kuris iš tikrųjų yra mažumos vežėjų pašalinimo iš SCR ir jo išplėtimo laikas. Ir šį parametrą lemia difuziniai procesai, kurių būdinga trukmė yra 10-5 s. Modeliuojant impulsų atsakus diodų ekvivalentinėse grandinėse, naudojami 2 talpiniai elementai: barjerinė talpa, kurį lemia SCR dydis ir erdvės krūvis (jis reikšmingas esant atvirkštinei įtampai), taip pat difuzinis pajėgumas, kurią lemia daugumos ir mažumos nešėjų koncentracija (ji reikšminga tiesioginiam įtampos kritimui). Difuzinė talpa lemia nepusiausvyrinio krūvio kaupimosi ir rezorbcijos laiką SCR ir gali pasiekti keliasdešimt nanofaradų vertę. Diodų gamybos technologinių procesų plėtra leido daryti didelę įtaką impulsų charakteristikos ir sutrumpinkite atkūrimo laiką iki dešimčių nanosekundžių greituose ir itin sparčiuose dioduose.

Todėl Spice programai sukurtas realaus puslaidininkinio diodo matematinis modelis ir tolimesnės jo modifikacijos yra gana sudėtinga matematinė išraiška, apimanti iki 30 konstantų, kurias vartotojas nustato konkrečiam elementui modeliuoti.

Darbas, skirtas sumažinti tiesioginės įtampos kritimą, paskatino sukurti Schottky diodai, kuriame p-n sandūra pakeičiama Šotkio barjeru, kurį sudaro metalo ir puslaidininkių pora. Tai leido sumažinti SCR dydį ir maždaug perpus sumažinti tiesioginės įtampos kritimą, tačiau tuo pačiu metu žymiai sumažėjo leistina atvirkštinė įtampa (< 250 В) и увеличились обратные токи. При этом улучшились импульсные характеристики, что позволило применять эти диоды при частотах до 100 кГц.

Staigus sumažėjimas dinaminis pasipriešinimas(Rд=dU/dIt) esant atvirkštinei skilimo įtampai leidžia naudoti diodus kaip įtampos stabilizatorius, pavyzdžiui, varistorius. Tačiau diodai, skirtingai nei varistoriai, turi mažesnes dinaminės varžos vertes. Tačiau reikia atsižvelgti į tai, kad stabilizavimo režimu p-n sandūros SCR išsiskirianti energija yra lygi P = Ul. pr×I. Dėl to jie buvo sukurti Zenerio diodai Ir lavinos diodai su karščiui atsparia p-n sandūra ir jų pagrindu Zenerio diodai.

Kai nuolatinė srovė praeina per SCR, krūvininkai rekombinuojasi su fotono emisija, kurios bangos ilgį lemia puslaidininkinė medžiaga. Varijuojant šios medžiagos sudėtį ir elemento dizainą, galima kurti šviesos diodai su nuoseklia ( lazeriniai diodai) ir nenuoseklią spinduliuotę labai plačiam spektro diapazonui – nuo ​​ultravioletinės iki infraraudonosios šviesos.

Puslaidininkių technologijų plėtra paskatino sukurti bipolinis tranzistorius, kuris susideda iš trijų sluoksnių puslaidininkinės medžiagos, turinčios skirtingus laidumo tipus, n-p-n arba p-n-p. Šie sluoksniai vadinami kolektorius-bazė-emiteris. Taigi, mes gavome 2 iš eilės p-n jungtis, bet su priešingai nukreiptu laidumu. Norint pasiekti tranzistoriaus efektą, būtina, kad emiterio laidumas būtų didesnis už bazinį laidumą, o pagrindo storis būtų panašus į kolektoriaus ir bazės jungties SCR plotį su atvirkštiniu laidumu. Dėl darbas n-p-n tranzistorius pagal grandinę su bendra baze, šaltinio teigiamas polius prijungiamas prie kolektoriaus, neigiamas - su emitteriu, o bazės-emiterio sandūra atidaroma papildomu šaltiniu. Tuo pačiu metu į ploną pagrindo sluoksnį pradės tekėti mažumos nešikliai – elektronai. Kai kurie iš jų, veikiami teigiamo kolektoriaus potencialo, praeis per uždarą pagrindo-kolektoriaus sandūrą, todėl per šią jungtį padidės kolektoriaus srovė kaip atvirkštinė srovė. Be to, kolektoriaus srovė gali būti kelis šimtus kartų didesnė už bazinę srovę ( tranzistoriaus efektas).

Taigi, bipolinis tranzistorius gali būti laikomas netiesine varža, valdoma bazine srove.

UGO bipoliniai tranzistoriai yra tokios formos:

Bipolinio tranzistoriaus IV charakteristikos arba kolektoriaus srovės priklausomybė nuo kolektoriaus-emiterio įtampos UCE(IC) tranzistoriaus 2N2222 esant skirtingoms bazinėms srovėms.

Taigi kolektoriaus srovę lemia bazinė srovė, tačiau ši priklausomybė esant mažoms bazinėms srovėms yra žymiai netiesinė. Tai yra vadinamasis aktyvus režimas.

Esant didelėms bazinėms srovėms, kai pasiekiamas pilnas kolektoriaus-bazės sandūros atidarymas, tranzistorius įsotinamas esant minimaliam kolektoriaus-emiterio įtampos kritimui, lygiam dvigubam kontaktinio potencialo skirtumui "1,2-1,4 V (du nuosekliai sujungti). atidaryti p-n perėjimas). Mes gauname turtingas režimas.

Tai suteikia 2 galimybes naudoti tranzistorius - aktyviu režimu, kaip stiprintuvas, o prisotintu režimu – kaip elektrinis raktas.

Paimkime pavyzdį, kaip naudoti tranzistorių aktyviu režimu - linijinis įtampos stabilizatorius.

Šioje grandinėje tranzistorius jungiamas pagal bendrą kolektoriaus grandinę, t.y., kolektoriaus srovės ir bazinės srovės šaltiniai yra sujungti bendru tašku ir valdymo srovė į bazę patenka per rezistorių Rv. Kadangi bazės-emiterio sandūra yra atvira, galime manyti, kad įtampos kritimas joje nepriklauso nuo srovės ir yra lygus potencialo barjerui UBE = 0,6-0,7 V. Jei nėra zenerio diodo DZ, išėjimo įtampa pagal įtampos daliklio taisyklę yra UOUT ~ UIN RL/RV+RL. DZ Zener diodas palaiko pastovų įtampos lygį pagal UZ. Bet tada UOUT= UZ - UBE yra pastovi reikšmė ir nepriklauso nuo įėjimo įtampos ir apkrovos srovės. At DC apkrova ir atitinkamai bazinė srovė, bet koks įėjimo įtampos padidėjimas Uin nepakeis kolektoriaus srovės, nes kolektoriaus ir bazės sankryžos dinaminė varža aktyviuoju tranzistoriaus režimu yra artima ¥. Tuo pačiu metu apkrovos srovės pasikeitimas tiesiog pakeis bazinę srovę ir atitinkamai pasikeis kolektoriaus srovė.

Dvipolio tranzistoriaus veikimui prisotinimo režimu reikia didelių valdymo srovių, proporcingų dydžiui ir trukmei perjungiamoms srovėms. Todėl buvo pasiūlyta tiristorius, susidedantis iš 4 iš eilės p-n-p-n sluoksniai.

Įjungus valdymo srovę, atsidaro pirmoji pn sandūra (tranzistoriaus Q1 bazinis emiteris) ir elektronai iš emiterio pradeda skverbtis pro antras p-n perėjimas (tranzistoriaus Q1 bazė-kolektorius).. Tuo pačiu atsidaro trečias p-n sandūra (bazinis emiteris p-n-p tranzistorius Q2) ir atitinkamai antroji p-n jungtis (bazinis kolektoriaus tranzistorius Q2). Taip užtikrinamas srovės tekėjimas į pirmąją pn sandūrą ir valdymo srovės nebereikia. Gilus ryšys tarp visų perėjimų užtikrina jų prisotinimą.

Taigi, su trumpu valdymo srovės impulsu, mes galėjome perkelti sistemą į prisotintą būseną, kai įtampos kritimas yra apie 2 V. Norėdami išjungti srovę šioje struktūroje, turime ją sumažinti iki 0, o tai yra gana paprasta, kai harmoninis signalas. Dėl to gavome galingus puslaidininkinius jungiklius tinklams su kintamoji srovė, valdomas trumpais impulsais kiekvieno pusės ciklo pradžioje.

Taip pat galite pakeisti puslaidininkinės konstrukcijos laidumą, taikydami jai elektrinį lauką, kuris sukurs papildomus nešiklius srovei. Šios žiniasklaidos bus pagrindinis ir jiems nereikia niekur sklisti. Ši aplinkybė suteikia du pranašumus, palyginti su dvipoliais struktūromis.

Pirma, sumažėja laidumo kitimo laikai, antra, valdymas vykdomas potencialo signalu esant praktiškai nulinei srovei, tai yra, pagrindinė srovė praktiškai nepriklauso nuo valdymo srovės. Ir dar vienas pranašumas atsirado dėl puslaidininkinės struktūros, valdomos elektriniu lauku, vienalytiškumo - tai teigiamas temperatūros atsparumo koeficientas, leidžiantis šias konstrukcijas gaminti naudojant mikroelektroniką atskirų mikroelementų pavidalu (iki kelių milijonų vienam kv. cm) ir, jei reikia, sujunkite juos lygiagrečiai.

Šiuo principu sukurti tranzistoriai vadinami lauke(užsienio literatūroje FET arba Field emission tranzistor). Šiuo metu yra sukurta daugybė skirtingų tokių įrenginių konstrukcijų. Apsvarstykite lauko tranzistorių su izoliuotais užtaisais, kuriuose valdymo elektrodas ( vartai), atskirtas nuo puslaidininkio izoliaciniu sluoksniu, dažniausiai aliuminio oksidu. Ši konstrukcija vadinama MOS (metalo oksido puslaidininkis) arba MOS (metalo oksido puslaidininkiu). Puslaidininkio erdvė, kurioje, veikiant elektriniam laukui, susidaro papildomi nešikliai, vadinama kanalas, įėjimas ir išėjimas, į kuriuos atitinkamai pašaukti šaltinis Ir nusausinti. Priklausomai nuo gamybos technologijos, kanalai gali būti indukuojami (n-medžiagoje sukuriamas p laidumas arba atvirkščiai) arba įmontuojami (n-medžiagoje sukuriama erdvė su p laidumu arba atvirkščiai). Paveikslėlyje parodytas tipiškas horizontalus MOS tranzistoriaus dizainas su indukuotu ir įmontuotu p kanalu.

UGO MOS tranzistorius

Čia pateikiamos tranzistoriaus BUZ11 perdavimo charakteristikos, būtent išleidimo srovės ir išleidimo šaltinio įtampos priklausomybė nuo vartų įtampos. Galima pastebėti, kad tranzistoriaus atidarymas prasideda nuo tam tikros Uthr reikšmės ir gana greitai patenka į prisotinimą.

Čia yra statinė tranzistoriaus BUZ11 charakteristika, ty nutekėjimo srovės priklausomybė nuo nutekėjimo šaltinio įtampos. Žymekliai žymi perėjimo į prisotinimo režimą taškus

Lauko tranzistorių atsparumas srovės perkrovoms, didelė įėjimo varža, galinti žymiai sumažinti valdymo nuostolius, didelis perjungimo greitis, teigiamas temperatūros atsparumo koeficientas – visa tai leido įrenginiams su lauko valdymu ne tik praktiškai pakeisti dvipolius įrenginius, bet ir sukurti naują elektrotechnikos kryptį - intelektuali galios elektronika, kur valdomi beveik bet kokios galios energijos srautai laikrodžio dažniai dešimčių kilohercų tvarka, t.y. praktiškai realiu laiku.

Tačiau esant didelėms srovėms, lauko tranzistoriai tiesioginių nuostolių atžvilgiu yra prastesni už bipolinius tranzistorius. Jei į bipolinis tranzistorius jei jis yra prisotintas, nuostoliai nustatomi pagal P = IKUpr, kur Upr praktiškai nepriklauso nuo srovės ir yra maždaug lygus potencialo barjero aukščiui ant dviejų atvirų p-n sandūros, tada lauko tranzistoriuose P=IC2 Rpr, kur Rpr daugiausia yra vienalyčio kanalo varža.

Šios problemos sprendimas buvo rastas derinant lauko valdymą su dvipoliu tranzistoriumi. Šis izoliuotų vartų bipolinis tranzistorius yra geriau žinomas savo prekės pavadinimu IGBT (Insulation Gate Bipolar Transistor).

UGO, skirtas IGBT

Kaip matote, čia prie lauko tranzistoriaus vertikalios struktūros kaip substratas buvo pridėtas p+ sluoksnis, o tarp emiterio E ir kolektoriaus K buvo suformuotas bipolinis pnp tranzistorius. Veikiant teigiamam potencialui prie G vartų, p-regione atsiranda laidusis kanalas, kuris atveria sankryžą J1. Tuo pačiu metu mažumos nešiklių įpurškimas prasideda giliai į mažos varžos n sluoksnį, sluoksnis J2 šiek tiek atsidaro ir tarp kolektoriaus ir emiterio pradeda tekėti srovė, palaikoma p sluoksnyje esančių nešėjų, kurie išlaiko p-n sandūrą. J1 atviroje būsenoje. Įtampos kritimą JGBT lemia įtampos kritimas atvirose p-n sandūrose J1 ir J2, kaip ir įprastame bipoliniame tranzistoryje. JGBT išjungimo laiką lemia mažumos vežėjų rezorbcijos iš šių sankryžų laikas. Tai reiškia, kad įrenginys įsijungia kaip lauko tranzistorius, o išsijungia kaip dvipolis, kaip matyti GA100T560U_IR įrenginio perjungimo pavyzdyje.

Šią struktūrą galima įsivaizduoti kaip lauko efekto valdymo tranzistoriaus ir dvipolio pagrindinio tranzistoriaus derinį.

JGBT įtampos kritimo priklausomybę nuo temperatūros lemia neigiamas koeficientas J2 sandūroje ir teigiamas koeficientas p-sluoksnio kanale, taip pat n-sluoksnis. Dėl to kūrėjams pavyko pasiekti, kad vyrautų teigiamas temperatūros koeficientas, kuris atvėrė kelią lygiagrečiam šių puslaidininkinių konstrukcijų prijungimui ir leido sukurti įrenginius praktiškai neribotoms srovėms.

Surinkimas ant IGBT perjungimui

įtampa iki 3300 V ir srovės

Netiesiniai elementai yra visi puslaidininkiniai ir Elektroniniai prietaisai, dirbant su signalais, kurių momentinės reikšmės kinta gana plačiame diapazone. Tikslumui nagrinėsime netiesinius dviejų gnybtų tinklus, kai įvesties signalas yra įtampa, o išėjimo signalas yra srovės
jame. Visi metodai ir rezultatai gali būti perkelti į nelinijinį keturių galų tinklą, pavyzdžiui, tranzistorių, veikiantį netiesiniu režimu esant didelėms įvesties signalo amplitudėms. Čia išvesties grandinę vaizduoja srovės šaltinis, valdomas įvesties įtampos. Charakteristika netiesinis elementas nustato funkcinį netiesinį ryšį tarp įtampos
ir srovės stiprumas
jame:

(2.1)

IN inercinis elementas momentinė srovės vertė
priklauso ne tik nuo įtampos vertės
tuo pačiu laiko momentu , bet ir apie šios įtampos vertes ankstesniais laikais. Be inercijos Elementai, griežtai tariant, neegzistuoja. Būklė be inercijos apytiksliai atliekama, jei būdingas įvesties signalo kitimo laikas gerokai viršija proceso įsikūrimo laiką pačiame netiesiniame elemente. Puslaidininkinių įtaisų pastovios būsenos nustatymo laikas yra
Su.

Įrenginių inercija gali būti siejama su srovės nešėjų inercija. Didėjant virpesių dažniui, jis pradeda reikštis, kai nešėjų praėjimo per įrenginį laikas tampa panašus į svyravimo periodą. Tokia inercija pasireiškia išėjimo srovės fazių vėlavimu (poslinkiu), palyginti su įėjimo įtampa, aktyviųjų įėjimo ir išėjimo varžų pasikeitimu ir jų transformavimu į kompleksines ir kt. stiprintuvų ir generatorių išėjimo galios paprastai mažėja. Būdingas inercijos tipas yra šiluminė inercija keičiantis temperatūrai, taigi ir termistorių varžai. Tik esant pakankamai žemam virpesių dažniui, jo elemento temperatūra sugeba atitikti momentines įtampos reikšmes. Pavyzdžiui, jau dažniu
Kaitinamosios lempos kaitinamojo siūlo Hz varža praktiškai neturi laiko keistis, o tai užtikrina vienodą apšvietimą. Panašūs inerciniai elementai naudojami harmoninių virpesių generatoriuose, siekiant pagerinti jų charakteristikas.

Netiesinio inercinio įtaiso skaičiavimą galima supaprastinti, jei jį galima pavaizduoti sujungus du paprastesnius įrenginius: netiesinį inercinį įrenginį ir tiesinį inercinį įtaisą (filtrą). Šis metodas gali būti naudojamas, pavyzdžiui, apskaičiuojant rezonansinį arba dažnių juostos pralaidumo stiprintuvą esant didelėms įvesties signalo amplitudėms. Tegul aktyvus stiprintuvo elementas (tranzistorius arba vakuuminis vamzdis) gali būti pavaizduotas kaip netiesinis įtaisas be inercijos, o jo pasyviosios apkrovos netiesiniai iškraipymai (svyravimo grandinė arba sujungtų grandinių sistema) gali būti nepaisyti. Apkrova, kurioje yra reaktyvių elementų, apytiksliai apskaičiuojama tiesiniu inerciniu įtaisu.

Abipusiai pakeisdami gautas išraiškas, galime gauti R ab, R bc ir R ca išraiškas (t. y. išraiškas, paverčiančias žvaigždę trikampiu):

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. Bendra informacija

Netiesinė elektros grandinė yra elektros grandinė, turinti vieną ar daugiau netiesinių elementų [ 1 ] .

Netiesinis elementas Tai elektros grandinės elementas, kurio parametrai priklauso nuo juos lemiančių dydžių (varžinio elemento varža nuo srovės ir įtampos, talpinio elemento talpa nuo krūvio ir įtampos, indukcinio elemento induktyvumas nuo magnetinio srauto ir elektros srovė).

Taigi varžinio elemento charakteristika srovės įtampa u (i), indukcinio elemento Vėberio ampero charakteristika ψ(i) ir talpinio elemento kulonų įtampa q (u) neatrodo kaip tiesi linija. (kaip ir tiesinio elemento atveju), bet tam tikra kreivė, kuri paprastai nustatoma eksperimentiškai ir neturi tikslaus analitinio vaizdavimo.

Netiesinė elektros grandinė turi daug reikšmingų skirtumų nuo linijinės ir joje gali atsirasti specifinių reiškinių

Ryžiai. 1.28. Netiesinių varžinių, indukcinių ir talpinių elementų UGO

(pavyzdžiui, histerezė), todėl tiesinių grandinių skaičiavimo metodai netaikomi netiesinėms grandinėms. Ypač vertas dėmesio superpozicijos metodo nepritaikymas netiesinėms grandinėms.

Svarbu suprasti, kad tikrų elementų charakteristikos niekada nėra tiesinės, tačiau daugumoje inžinerinių skaičiavimų jas galima laikyti linijinėmis su priimtinu tikslumu.

Visi puslaidininkiniai elementai (diodai, tranzistoriai, tiristoriai ir kt.) yra netiesiniai elementai.

Įprasti netiesinių varžinių, indukcinių ir talpinių elementų grafiniai simboliai parodyti fig. 1.28. Parametras, sukeliantis netiesiškumą (pavyzdžiui, termistoriaus temperatūra), gali būti nurodytas nuotolinio valdymo pulte.

1.5.2. Netiesinių elementų parametrai

Netiesiniams elementams būdingi statiniai (R st , L st ir C st ) ir diferencialiniai (R d , L d ir C d ) parametrai.

Statiniai parametrai Netiesinis elementas apibrėžiamas kaip pasirinkto charakteristikos taško ordinačių ir jo abscisių santykis (1 pav.). 1.29 ).

Statiniai parametrai yra proporcingi tiesės, nubrėžtos per koordinačių pradžią ir tašką, kuriam atliekamas skaičiavimas, polinkio kampo liestinė. Pavyzdžiui, pav. 1.29 gauname:

F st = y A = m y tg α, x A m x

čia α – tiesės, nubrėžtos per koordinačių pradžią ir darbinį tašką A, pasvirimo kampas;

m y ir m x yra atitinkamai skalės išilgai ordinačių ir abscisių ašių.

Ryžiai. 1.29. Statinių ir diferencialinių parametrų nustatymo link

netiesiniai elementai

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

Taigi varžinių, indukcinių ir talpinių elementų statiniai parametrai bus tokios formos:

Diferencialiniai parametrai netiesinis elementas apibrėžiamas kaip pasirinkto charakteristikos taško ordinatės mažojo prieaugio ir jo abscisės mažojo prieaugio santykis (1.29 pav.).

Diferencialiniai parametrai yra proporcingi tangentinės kampo liestinės charakteristikos ir abscisių ašies veikimo taške. Pavyzdžiui, pav. 1.29 gauname:

F diff = dy = m y tan β, dx m x

čia β – charakteristikos veikimo taško B ir abscisių ašies liestinės polinkio kampas;

m y ir m x yra atitinkamai skalės išilgai ordinačių ir abscisių ašių. Taigi diferenciniai varžiniai, indukciniai parametrai

Aktyvieji ir talpiniai elementai bus tokios formos:

1.5.3. Netiesinių grandinių skaičiavimo metodai

Elementų parametrų netiesiškumas apsunkina grandinės skaičiavimą, todėl kaip darbinę sekciją bandoma pasirinkti arba tiesinę, arba jai artimą charakteristikos sekciją ir priimtinu tikslumu elementą laikyti tiesiniu. Jei tai neįmanoma arba elemento pasirinkimo priežastis yra charakteristikos netiesiškumas (tai ypač būdinga puslaidininkiniams elementams), tada naudojami specialūs skaičiavimo metodai - grafinis, apytikslis.

(analitinis ir dalinis tiesinis) ir nemažai kitų. Pažvelkime į šiuos metodus išsamiau.

Grafinis metodas

Metodo idėja yra sudaryti grandinės elementų charakteristikas (voltas-amperas u (i), Weber-amper ψ (i) arba kulonų įtampa q (u)), o tada, naudojant jų grafinę formą. transformacijos (pavyzdžiui, papildymas), gauna atitinkamą charakteristiką visai grandinei arba jos atkarpai.

Grafinis skaičiavimo metodas yra paprasčiausias ir intuityviausias naudoti, užtikrinantis būtiną tikslumą daugumai skaičiavimų, tačiau jis taikomas nedideliam skaičiui netiesinių elementų grandinėje ir reikalauja atsargumo atliekant grafines konstrukcijas.

Netiesinės grandinės apskaičiavimo grafiniu metodu pavyzdys, skirtas nuosekliai sujungti linijinius ir netiesinius varžinius elementus, parodytas fig. 1.30, a, lygiagrečiai – pav. 1.30, gim.

Skaičiuojant nuoseklią grandinę vienoje ašyje, konstruojamos visų skaičiuojamų elementų charakteristikos (nagrinėjamam pavyzdžiui tai yra u ne (i) netiesiniam rezistoriui R ne ir u le (i) tiesiniam R le). Suminės įtampos pasikeitimo grandinėje u (i) pobūdis nustatomas sudėjus netiesinių u ne (i) ir tiesinių u le (i) elementų u (i) = u ne (i) + u charakteristikas. le (i). Papildymas atliekamas val identiškos vertės srovė (jei i = i 0: u 0 = u ne 0 + u le 0, žr. 1.30 pav., a.).

Lygiagrečios grandinės skaičiavimas atliekamas panašiai, tik visos grandinės charakteristika konstruojama sudedant sroves esant pastoviai įtampai (jei u = u 0: i 0 = i ne 0 + i le 0, žr. 1.30 pav. , b.).

Ryžiai. 1.31. Aktyvus linijinis dviejų gnybtų jungiklis kaip lygiavertė netiesinio elemento grandinė

Aproksimacijos metodas

Metodo idėja yra pakeisti eksperimentiniu būdu gautą netiesinio elemento charakteristiką analitine išraiška.

Yra analitiniai aproksimacijos , kurioje elemento charakteristika pakeičiama analitine funkcija (pavyzdžiui, tiesine y = ax + b, ste-

som y = a th βx ir kiti) ir dalimis

linijinis, kuriame elemento charakteristika pakeičiama tiesių aibė

linijos atkarpos. Analitinio aproksimavimo tikslumas

maciją lemia teisingas aproksimacinės funkcijos pasirinkimas ir koeficientų parinkimo tikslumas. Atskiros tiesinės aproksimacijos pranašumas yra jo naudojimo paprastumas ir galimybė elementą laikyti tiesiniu.

Be to, ribotame signalo pokyčių diapazone, kuriame jo pokyčiai gali būti laikomi linijiniais (t. y mažo signalo režimas), netiesinis elementas priimtinu tikslumu gali būti pakeistas lygiaverte tiesine aktyvia dviejų gnybtų grandine (1.31 pav., dviejų gnybtų grandinė bus išsamiau aptarta § 2.3.4), kur srovė ir įtampa yra susiję su posakiu:

U = E + Rdiff I,

čia Rdiff yra netiesinio elemento diferencinė varža tiesiuojamoje atkarpoje.

Puslaidininkinio diodo charakteristikų analitinio aproksimavimo, naudojant i = a (e bu − 1) formos funkciją, pavyzdys parodytas fig. 1.32, b, gabalinė tiesinė aproksimacija – pav. 1.32, pradinės diodo charakteristikos parodytos pav. 1.32, a.

Ryžiai. 1.32. Puslaidininkinio diodo charakteristikų aproksimacija.

a yra pradinė diodo charakteristika;

b – analitinis aproksimavimas naudojant i = a (e bu − 1) formos funkciją;

c – gabalinė tiesinė aproksimacija.