Головна

Нелінійні резистивні елементи

  1. Elements - електротехнічні елементи
  2. II. ЕЛЕМЕНТИ АНАЛІТИЧНОЇ ГЕОМЕТРІЇ.
  3. III.4.3) Види і елементи провини.
  4. Power Electronics - елементи силової електроніки
  5. XI. Пристосування ТА ІНШІ ЕЛЕМЕНТИ, властивості. Здібностей та обдарувань АРТИСТА
  6. Автогенераторного логічні елементи
  7. Активні і пасивні елементи електричних ланцюгів. Закон Ома

Яскравим і широко використовуваним в електротехніці і електроніці нелінійним резистивним елементом є напівпровідниковий діод, зображення якого показано на ріс.1.20, а вольтамперная характеристика на ріс.1.21.

 Ріс.1.20 Зображення діода
 Ріс.1.21 Статична характеристика діода

Вид вольтамперної характеристики обумовлений властивостями р-n переходу (Л.1). Основна властивість p-n переходу полягає в його односторонньої провідності. Іншими словами, опір протіканню струму в одному і в іншому напрямку відрізняється в сотні-тисячі разів. Напівпровідник, одним словом. Напрямки струму і напруги діода, зазначені на ріс.1.20, отримали назву прямого напрямку, а в іншу сторону - зворотного. Так як характеристика нелінійна (відрізняється від прямої, що проходить через початок координат), то кожній точці на характеристиці діода відповідає своє значення статичного опору, яке характеризує поведінку діода при протіканні по ньому постійного струму. Так, в т.1  і ця величина буде визначати опір діода, якщо до нього буде докладено напруга  . В інших точках опір буде відрізнятися від опору в т.1. Так, в точці «а» воно буде менше, а в точці «б» в сотні - тисячі разів більше. Слід звернути увагу на наявність так званої «сходинки» -ділянку на прямій ділянці характеристики від початку координат до точки «с», коли напруга на діоді менше  . В межах цієї ділянки струм діода прямого напрямки практично дорівнює нулю. величина  залежить від типу діода (кремнієвий і германієвого), але прийнято вважати, що  В.

Розглянемо розрахунок однієї дуже важливої ??схеми, показаної на ріс.1.22.

 Ріс.1.22 Послідовне з'єднання діода і резистора

Для даної схеми можна скласти тільки одне рівняння з 2-го закону Кірхгофа:

 (1.6)

Це нелінійне рівняння алгебри, що істотно ускладнює розрахунок схеми. З цієї причини, інтерес представляє використання графічного методу (якщо в схемі один діод) або комп'ютерне моделювання. Розглянемо графічний метод, який широко використовується в електротехніці і електроніці. Перетворимо рівняння (1.6):

побудуємо  . Так як и  , То це рівняння прямої, для побудови якої необхідно знання положення двох точок:

1. Точка в режимі короткого замикання діода:

2. Точка в режимі холостого ходу

Відповідні побудови показані на ріс.1.23 (пряма «А»)

 
 Ріс.1.23 Графічний розрахунок схеми по ріс.1.22

Значення струмів і напруг в схемі будуть визначатися положенням точки перетину прямої «А» і вольтамперної характеристики діода (т. РТ). Якщо ЕРС залишається постійною, а змінюється величина резистора, то змінюється нахил прямої. Якщо збільшити опір, то зменшиться величина струму і значення струму і напруги будуть визначатися перетином ВАХ діода і прямий «А1». Якщо зменшити величину ЕРС, то пряма «А» паралельно сама собі переміститися і значення струму і напруги будуть визначатися перетином ВАХ діода і прямий «А2». Якщо змінити полярність ЕРС, то значення струму і напруги будуть визначатися перетином ВАХ діода і прямий «А3».

Графічний метод наочний, але має суттєві обмеження:

1) він недостатньо точний

2) але, що більш погано, практично не працює, якщо в схемі кілька діодів, з'єднаних більш складним чином.

Вихід з такої ситуації знайшли, використовуючи апроксимацію (заміну) реальної ВАХ діода відрізками прямих. Принцип простий. Чим більше коротких прямих, тим точніше розрахунок. На ріс.1.24 показано вихідна характеристика, а на ріс.1.25 один з можливих варіантів апроксимації. Слід мати на увазі, що чим більше прямих, тим більше обсяг обчислювальної роботи.

 
 Ріс.1.24 Вихідна статична характеристика діода  Ріс.1.25 апроксимували характеристика діода

Тому при наближених розрахунках застосовують грубіші апроксимації, дві з яких показані на ріс.1.26 і 1.27. Характеристику на ріс.1.26 використовують при відносно невеликих напругах в схемі. Вентильну характеристику використовують при аналізі схем, що застосовуються для випрямлення змінного струму в постійний, при аналізі складних процесів в різних схемах функціональних перетворювачів, умножителей напруг, мультивібраторах і. т. д., а також при якісному аналізі (так званому «читанні» схем). Обидві характеристики нехтують зворотними струмами через діод (ділянка «Б»).

 Ріс.1.26 линеаризировать характеристика діода і розрахункові моделі  Ріс.1.27 Вентильна характеристика діода і розрахункові моделі

Характеристики по ріс.1.26 і ріс.1.27 дозволяють створити прості розрахункові моделі діода, показані там же. резистор  отримав назву диференціального опору, його величина визначається відношенням:  (Див. Ріс.1.26). Дане опір пов'язує між собою невеликі збільшення струму і напруги в діод на потрібній точці характеристики діода. Надалі буде розглядатися модель, відповідна вентильной характеристиці.

Виходячи з виду вентильной характеристики діода, можна вважати, що якщо робоча точка знаходиться на ділянці  , То діод можна замінити короткозамкненим ділянкою, а якщо на ділянці  , То діод представляють як розрив. У граничному точці 0 (  ), Струм, і напруга дорівнюють нулю. У цей момент часу відбувається перехід робочої точки з однієї ділянки на іншу. Таке уявлення характеристики дозволяє серйозно спростити аналіз схем з діодами.

При аналізі рекомендується діяти в такій послідовності:

1. Класифікувати характер схеми і режим її роботи.

2. На першомукроці розрахунку всі діоди замінюємо короткозамкненими відрізками.

3. Розрахувати (або якісно проаналізувати) отриману схему і визначити напрямки струмів через діоди. Якщо напрямок струму, отримане в результаті аналізу, збігається з прямим струмом діода, то залишаємо на місці коротке замикання, якщо немає -заменяем діод ділянкою з розривом.

4. На другому кроці розраховуємо (аналізуємо) отриману схему і знаходимо фактичні струми і напруги.

5. Якщо полярність джерел може змінюватися, то повторюємо п. П.2,3,4.

приклад 1.4. Отримати залежність вихідної напруги  від величини вхідної напруги  для схеми, показаної на ріс.1.28.

 Ріс.1.28 Функціональний перетворювач

Дана схема, яка містить лінійні та нелінійні резистивні елементи, може виконувати роль функціонального перетворювача, т. Е пристрою, що формує вихідний сигнал (напруга), пов'язаний з вхідним сигналом (напругою) функціональною залежністю, вид якої і слід отримати.

Аналіз схеми зробимо відповідно до запропонованої вище послідовністю розрахунку:

1.Класифікація схеми - це нелінійна резистивная ланцюг. Так як відсутні реактивні елементи (індуктивності і ємності), то будемо вважати, що режим в ланцюзі встановлюється миттєво, після підключення джерела з напругою .

2. Вибираємо напрямки струмів, замінюємо діод «закоротки» і складаємо розрахункову модель: (ріс.1.29):

 Ріс.1.29 Розрахункова модель на першому кроці при

Використовуючи 2-ий закон Кирхгофа, отримуємо, що  . При цьому струм діода обраного напрямку позитивний, отже, при  розрахунок можна вважати закінченим і виконувати п.4 немає необхідності.

Міняємо полярність прикладеної напруги (ріс.1.30):

 Ріс.1.30 Розрахункова модель на першому кроці при  (Зазначеного напрямку)

Запишемо рівняння по 2-му закону Кірхгофа:  , або  . З останнього виразу випливає, що при зазначеній полярності вхідної напруги, струм діода повинен бути негативним, т. Е. Мати зворотний напрямок. Але, відповідно до вентильной характеристикою діода (ріс.1.27), діод, ток в зворотному напрямку не пропускає. Отже, при зміні полярності прикладеної напруги діод необхідно замінити розривом (див. Ріс.1.31):

 Ріс.1.31 Розрахункова модель на другому кроці при  (Зазначеного напрямку)

Використовуючи 2-ий закон Кирхгофа, отримуємо:  . Таким чином, при зазначеній на ріс.1.31 полярності вхідної напруги всю напругу докладено до діода. У реальних схемах, вкрай важливо, щоб при цьому зворотна напруга було менше  (Див. Ріс.1.21).

За результатами аналізу будуємо функціональну залежність:  (Ріс.1.32):

 Ріс.1.32 Функціональна залежність для схеми по ріс.1.28

Слід зауважити, що досить часто застосовується ще одна апроксимація вольтамперной характеристики діода (ріс.1.33). Там же показана відповідна схема заміщення діода.

 Ріс.1.33 3-ий вид апроксимації і схема заміщення для ділянки «А»

Приклад 1.5. Визначити показання вольтметра в схемі по ріс.1.34. Застосувати схему заміщення діода по ріс.1.33. прийняти Е0= 0,7 В.

 Ріс.1.34 Початкова схема

Перш ніж виконати розрахунок, проведемо якісний аналіз показання вольтметра. Так як в схемі одна гілка (опір вольтметра приймаємо рівним нескінченності), то можливий один струм, який повинен протікати через обидва діода. Якщо прийняти потенціал точки 0 рівним нулю, то потенціал точки 1 буде дорівнювати 3 В, а потенціал точки 4 дорівнює -3 В. Слід очікувати, що потенціали точок 2 і 3, будуть більше ніж потенціал точки 4. Отже, напруга  , Зазначеного на ріс.1.34 напрямки, прикладеного до другого діода буде позитивним, а тому струм, поточний через 2-ий діод рівний нулю. Тоді, і струм через 1-й діод теж дорівнює нулю. Відповідно до прийнятої Вах діода (див. Ріс.1.33), в гіршому випадку на першому діоді буде падіння напруги 0,7 В. Тоді потенціал точки 2 дорівнює: 3-0,7 = 2,3. А так як струм дорівнює нулю, то падіння напруги на резисторі дорівнює нулю, і потенціал точки 3 дорівнює потенціалу точки 2. Таким чином, слід очікувати показання вольтметра дорівнює 2,3 В.

Тепер проведемо досить строгий розрахунок.

1. Проставимо точки у вихідній схемі

2.  У схемі одна гілка, один струм, вибираємо його напрямок. Напрямок напруг на діодах вибираємо збігаються з струмом. При такому напрямків струму і напруги на 2-му діод, його вольтамперная характеристика буде мати вигляд (ріс.1.35):

 Ріс.1.35 Вах 2-ої діода і схема заміщення діода для ділянки «А»

3.  Вважаємо, що діоди працюють на ділянці «А» Замінюємо діоди схемами заміщення (ріс.1.36)

 
 Ріс.1.36 Схема заміщення на першому кроці аналізу

Запишемо рівняння по 2-му закону Кірхгофа для зовнішнього контуру:  . Підставляючи значення, отримуємо , , , .  . Здавалося б, показання вольтметра одно:  . При цьому струм через 2-й діод повинен протікати від точки 3 до точки 4, і повинен бути більше нуля. Але, відповідно до Вах діода (ріс.1.35), струм не може протікати від точки 3 до точки 4 і при даному напрямку має дорівнювати нулю. Тому, відповідно до методу, переходимо до 2-го кроку: замінюємо 2-ий діод розривом. Тоді, очевидно, ток в схемі дорівнює нулю. Потенціал, точки 3 буде дорівнює 2, 3 В.

Читач!Перш ніж рухатися далі, перевірте себе. На ріс.1.37 показано пряма гілка вольтамперной характеристики діода. Чи готові Ви відповісти на наступні питання:

 Ріс.1.37 Вольтамперная характеристика діода D1N3909
 номер питання  питання
 Чому дорівнює статичний опір діода в т. А
 Чому дорівнює диференціальне опір діода в т. А
 Чому дорівнює величина Е0 при використанні схеми заміщення діода по ріс.1.29.

На ріс.1.38 показано схема функціонального перетворювача. При аналізі використовувати схему заміщення діода по ріс.1.33. прийняти Е0= 0,7 В. Чи готові Ви відповісти на наступні питання:

 Ріс.1.38 Схема функціонального перетворювача
 номер питання  питання
 Скільки вузлів у схемі
 Скільки гілок в схемі
 Скільки контурів у схемі
U1= 9 B Чому рівні ток I1, U2.
U1= -9 B Чому рівні ток I1, U2.
 Побудуйте функціональну залежність U2= F (U1)

.

на відмічені питання, відповіді наведені нижче

 № питання  відповідь  № питання  відповідь
 Ом
 Ом
 0,65 В  9 мА, 0,7 В
 4,5 мА, -4,5 В

Крім розглянутого вище напівпровідникового діода, в електроніці широко використовуються і інші нелінійні резистивні елементи, частина яких показана в таб.1.2.

Табліца1.1

 № п / п  Назва діода, умовне графічне позначення. Вид вольтамперної характеристики  Основне призначення
 стабілітрон    Стабілізація напруги. Для цього використовується крутопадающими зворотний ділянку вольтамперної характеристики. Це вимагає створення таких умов роботи, щоб струм стабілітрона був більше мінімального і менше максимального.
 діод Шотткі    Застосовується в логічних елементах транзісторно- транзисторної логіки і в схемах високочастотних випрямлячів. Має значно менше падіння напруга при роботі на прямій ділянці вольтамперной характеристики.
 фотодіоди    Перетворення світлових сигналів в електричні. Під дією падаючого на діод світлового потоку (Ф), в залежності від його інтенсивності, через діод починає протікати струм. Якщо, до діода докладено зворотна напруга (точка 1), діод споживає енергію. У точці 2, напруга позитивне, а струм негативний. Це генераторний режим. У цьому режимі працюють сонячні елементи.
 світлодіоди  Перетворення електричних сигналів в світловий потік. Колір світіння визначається типом напівпровідникового матеріалу. Застосовуються в пристроях індикації, джерелах світла. Працюють при прямому зміщенні р-n переходу.
 Оптрон (оптопара)  В одному корпусі розташовані світлодіод і фотодіод, який може працювати фотогенератора або фотоперетворювачів. Висока швидкодія використовується для передачі аналогових, цифрових сигналів і в якості електронних ключів. Гальванічна розв'язка між вхідний і вихідний ланцюгами
       



По всіх елементах протікає один і той же струм. | До всіх елементів докладено одне і теж напруга. | Використання поняття резистор для аналізу простих електричних ланцюгів. | Аналіз простих резистивних ланцюгів з використанням законів Кірхгофа. | Аналіз простих резистивних ланцюгів з використанням поняття вхідного опору. | Вхідний опір щодо точок: 1-2. | польові транзистори |

© 2016-2022  um.co.ua - учбові матеріали та реферати