Obsah. Nelineárne prvky. Sýtosť magnetických materiálov. Feroelektrika, varistory a pozistory. Nelineárne odpory. Polovodičová dióda a jej prúdovo-napäťová charakteristika. Koncepcia návrhu bipolárnych tranzistorov a tyristorov. Lineárny stabilizátor napätia. Princíp činnosti tranzistora s efektom poľa a bipolárneho tranzistora s izolovaným hradlom (IGBT).

Hodnoty prvkov R, C, L boli zadané ako koeficienty medzi prúdom a napätím (R), nábojom a napätím (C) a magnetickým tokom a prúdom (L). Ďalej z týchto vzťahov bol formulovaný zovšeobecnený Ohmov zákon.

Pri zvažovaní najjednoduchších problémov sa vychádzalo z predpokladu, že tieto hodnoty nezávisia od elektromagnetickej energie prúdiacej cez tieto prvky. A mali sme veľkú radosť z manipulácie s tzv lineárne prvky a dokonca vybrali zodpovedajúce „lineárne“ komponenty.

Lineárne zložky však v prírode neexistujú!

Môžu mať približne lineárne parametre len v určitom rozsahu prúdov a napätí. Akákoľvek látka vystavená elektromagnetickým poliam tak či onak mení svoju štruktúru, a teda aj svoje fyzikálne vlastnosti, menovite odpor, dielektrickú a magnetickú permeabilitu a dokonca aj geometrický tvar. Preto sa menia aj parametre komponentov vyrobených z týchto materiálov, keďže R=rl/s; C»es/l; L»ms/l. Ak tieto zmeny nie sú významné, potom hovoríme o linearite prvkov a zodpovedajúcich komponentov. V opačnom prípade je potrebné brať tieto zmeny do úvahy a potom by sme sa o tom mali rozprávať nelineárne prvky a komponenty.

UGO nelineárnych prvkov v ekvivalentných obvodoch má nasledujúci tvar:

nelineárny odpor

induktor s magnetickým jadrom

nelineárny kondenzátor - varikap

Nelineárne prvky sú široko používané v elektrických obvodoch na zmenu tvaru signálu, inými slovami, na vybudenie alebo pohltenie určitých harmonických, ktoré tvoria signál.

Z matematického hľadiska sú v tomto prípade koeficienty zložené z R, C, L závislé od neznámych parametrov (prúdu a napätia) a energetické rovnice zostavené podľa Kirchhoffových pravidiel sa stávajú nelineárne so všetkými z toho vyplývajúcimi dôsledkami pre výpočty.

Najbežnejšie spôsoby ich riešenia sú:

- aproximácia, keď sa známa nelineárna závislosť hodnoty prvku od prúdu alebo napätia aproximuje segmentmi lineárnych funkcií a pre každý z nich sa získajú riešenia lineárnych rovníc;

- grafická metóda keď sú rovnice vyriešené graficky pomocou

známe nelineárne grafické závislosti prvku od prúdu alebo napätia;

- strojová metóda, kedy je nelineárna závislosť hodnoty prvku od prúdu alebo napätia aproximovaná modelovou matematickou funkciou a integro-diferenciálne nelineárne rovnice sú riešené numerickými metódami.

nelineárna indukčnosť používané v elektrotechnike Charakteristika Weber-amp, ktoré sú podobné hysteréznym krivkám BH pre feromagnetické materiály, ktoré fyzici radi používajú. Ak na Weber-ampérovej charakteristike L=dY/dI, potom na krivkách VN m=dB/dH, ale Y=NBS, a H»I/r. Niekedy používajú voltsekundová charakteristika, pretože Y=òUdt.

Pri aproximácii je táto charakteristika zvyčajne rozdelená na časti: pred nasýtením je to priamka so sklonom m =dB/dH, a po nasýtení pri Vm toto je priamka s m = 1. Hodnoty zvyškovej magnetizácie INr a nátlaku NS určiť plochu, ktorú zaberá hysterézna slučka, teda aktívne straty v dôsledku reverzácie magnetizácie. Preto ich možno vo väčšine prípadov vziať do úvahy zavedením odporového prvku do obvodu a vylúčiť ich z aproximácie Weber-ampérovej charakteristiky.

Prevádzkový režim induktorov s lineárne charakteristiky sa volia v rámci veľkých hodnôt m alebo L. V tejto oblasti pracujú magnetické zariadenia, ako sú tlmivky na uchovávanie magnetickej energie, transformátory na prenos výkonu cez magnetickú väzbu cievok a elektromotory. Zároveň sa efekt nelinearity magnetických materiálov široko využíva na vytváranie magnetických zosilňovačov, ferorezonančných stabilizátorov a dokonca aj magnetických kľúčových prvkov, ktoré využívajú magnetické materiály s takzvanou pravouhlou magnetickou charakteristikou, kde m môže dosahovať hodnoty 50 alebo viac. V súčasnosti sa v induktoroch používajú hlavne 3 typy magnetických materiálov: elektrická oceľ, amorfné železo (metasklo) A ferity s veľmi rozdielnymi hysteréznymi krivkami.

Nelineárne induktory boli historicky prvé, ktoré boli vytvorené kvôli dostupnosti a nízkej cene magnetických materiálov, ako aj jednoduchosti ich výroby. Vyznačujú sa predovšetkým spoľahlivosťou, ale majú veľké hmotnostné a veľkostné charakteristiky, a preto vysokú zotrvačnosť. Predstavujú aj straty v dôsledku reverzácie magnetizácie a aktívne straty v dôsledku zahrievania vinutia vážny problém najmä v silovej elektrotechnike. Preto je v súčasnosti použitie nelineárnych induktorov obmedzené.

Predstavovať závislosť nelineárna kapacita použitie coulomb-volt charakteristiky, pretože C=dQ/dU.

Sú podobné feromagnetickým weber-ampérovým charakteristikám, len tu je permitivita e=dD/dE, kde D je elektrická indukcia alebo elektrický posun.

Najzaujímavejšie dielektrikum na vytváranie nelineárnych kondenzátorov sú feroelektriká, ako napríklad Rochellova soľ (vínan sodno draselný), titaničitan bárnatý, titaničitan bizmutitý a pod.. Vzhľadom na doménovú štruktúru elektrických dipólov majú pri nízkych napätiach vysokú dielektrickú konštantu s e » 1000, ktorá sa s rastúcim napätím znižuje, podobne ako napr. magnetická permeabilita feromagnetík. Preto sa v zahraničnej literatúre nazývali feroelektriká. Tieto materiály sa široko používajú na vytváranie lineárnych kapacitných prvkov, ako sú keramické kondenzátory s vysokou hustotou elektrickej energie, kde pracujú v nenasýtenej oblasti charakteristiky coulombovho napätia. Nelinearita sa používa na vytvorenie kondenzátorov s premenlivou kapacitou, varikondy, ktoré majú úzke uplatnenie.

V striedavom poli vo feroelektrike sa mení smer elektrického momentu dipólov, ktoré sú spojené do veľkých domén umiestnených v kryštálových štruktúrach. To vedie k zmene geometrických rozmerov kryštálu, k efektu tzv elektrostrikcia. Podobný efekt je v magnetických materiáloch magnetostrikcia, ale je ťažké ho použiť kvôli prítomnosti vonkajšieho vinutia. V niektorých skupinách feroelektrických kryštálov sa pozorujú účinky podobné elektrostrikcii. Toto priamy piezoelektrický efekt – vznik elektrického poľa (polarizácie) v kryštáli pri jeho mechanickej deformácii a späť– mechanická deformácia, keď sa objaví elektrické pole. Tieto kryštalické materiály sú tzv piezoelektrika, a získali mimoriadne veľké využitie. Priamy efekt sa používa na získanie vysokého napätia, v primárnych prevodníkoch mechanických síl (napríklad mikrofóny, snímače zvuku v mechanických systémoch záznamu zvuku) atď. Reverzný efekt sa používa vo zvukových a ultrazvukových žiaričoch, v systémoch s ultrapresným polohovaním (polohovač pohybu hlavy pevný disk) atď. Pri vytváraní sa používajú oba efekty rezonančné kryštálové oscilátory, kde sú rozmery kryštálov zvolené tak, aby mechanické vibrácie boli v rezonancii s elektrickými. S veľmi vysokým faktorom kvality takéhoto systému je zabezpečená stabilita a presnosť nastavenia frekvencie generátora. Dva takéto kryštály, ktoré majú zvukové spojenie, môžu prenášať elektrickú energiu bez galvanického spojenia, pre ktoré sú nazývané piezotransformátory.

Doménová štruktúra elektrických aj magnetických dipólov sa rozpadá pri určitej teplote, ktorá sa nazýva Curieov bod. V tomto prípade dochádza k fázovému prechodu a výrazne sa mení vodivosť feroelektrika. Na tomto základe konajú pozistory, v ktorom sa dodatočným dopovaním materiálu dá nastaviť určitý Curieov bod. Po dosiahnutí tejto teploty môže rýchlosť nárastu odporu dosiahnuť 1 kOhm/deg.

V podstate toto nelineárny odpor, ktorý má tvar S alebo „kľúč“ prúdovo-napäťová charakteristika (voltampérová charakteristika).

To znamená, že tento prvok môže fungovať ako elektrický spínač ovládaný prechodom prúdu alebo vonkajšej teploty.

PTC rezistory sú široko používané na ochranu pred prúdovým preťažením v telefónnych sieťach. analógové siete, ako aj na odľahčenie magnetickej energie z cievok pri ich zhasnutí, plynulé štartovanie motorov a pod. Pomerne zaujímavé uplatnenie našli ako regulovateľné palivové články v ohrievačoch ventilátorov, v ktorých má samotný článok takmer konštantnú teplotu a spotrebovaný elektrický výkon sa automaticky udržiava na rovnakej hodnote odobratého tepelného výkonu. To znamená, že rýchlosť otáčania ventilátora môže byť riadená tepelným výkonom takéhoto vykurovacieho zariadenia.

Iným typom feroelektrického dopovania je možné dosiahnuť efekt nelineárnej závislosti jeho vodivosti od napätia, t.j. nelineárny odpor, volal varistor. Tento efekt je spôsobený zmenou vodivosti tenkých vrstiev hmoty obklopujúcich domény pri určitom napätí. Preto sú charakterizované prúdovo-napäťová charakteristika, kde funkcia U(I) môže byť reprezentovaná polynómom piateho stupňa. Je vhodné charakterizovať nelineárne odpory so statickým odporom Rst = U/I a diferenciálnym odporom Rd = dU/dI. Je jasné, že na lineárny úsek Rst ~ Rd, v nelineárnej sekcii Rst £ Rd.

Ich hlavnou aplikáciou je ochrana elektrických obvodov pred spínacími prepätiami nebezpečných prepätí. Vo varistore sa energia takéhoto rázu premieňa na aktívnu energiu a ohrieva jeho hmotu. Varistory sa preto vyznačujú dvoma hlavnými parametrami - napätím, pri ktorom sa charakteristika prúdového napätia preruší, a energiou, ktorú môže prvok absorbovať bez ovplyvnenia jeho výkonu.

Nelineárne odpory rôznych typov zaujímajú v modernej elektrotechnike veľké miesto. Všeobecne povedané, každý vodič je nelineárny. Ak prechádzate prúdom cez obyčajný medený drôt, potom sa najprv jeho odpor, ako je známe, zmení ako R0(1+αT). Táto závislosť bude pretrvávať, kým sa drôt neroztopí a potom zostane odpor konštantný, kým sa materiál neodparí. A v tomto stave sa drôt vlastne stáva izolantom.

Odpor vodiča R je nepriamo úmerný hustote prúdu, takže odpor holého medeného vodiča sa považuje za lineárny až do hustoty prúdu 10 A/mm2 . Keď sa odvod tepla z vodiča zhoršuje, táto hodnota klesá. Napríklad vo vinutí tlmivky môže byť táto hodnota na úrovni 2 A/mm2. Pretože pri prekročení týchto hodnôt prúdovej hustoty dochádza k zvýšenému uvoľňovaniu tepelnej energie, čo vedie k jej roztaveniu, považujú sa za prípustné hodnoty hustoty prúdu a používajú sa pri výbere bezpečných prierezov vodičov.

Na tomto princípe fungujú poistky, prierez vodiča, v ktorom zodpovedá medznej hodnote ním prechádzajúceho prúdu. Ak sa však do drôtu vloží výkon vyšší ako 1010 W/g, potom vyparovanie, obchádzajúc fázu tavenia, bude nasledovať adiabatickú dráhu a tlaková vlna plynu vyparujúceho sa z povrchu vytvorí vo vnútri kolosálne hustoty hmoty. materiál. V tomto prípade bolo možné uvoľniť atómy zlata z ich elektrónového obalu a uskutočniť termonukleárne reakcie.

Pri určitom napätí dostatočnom na to, aby sa v plyne objavil dostatočný počet nosičov elektrické náboje, v plynovej medzere začne prúdiť elektrický prúd. Tento jav sa nazýva výboj plynu a samotná medzera plyn-výboj môže byť považovaná za nelineárny odpor s nasledujúcou charakteristikou prúdového napätia.

Zariadenia na vypúšťanie plynov sa veľmi rozšírili ako indikátory, zváracie stroje a taviace jednotky, elektrické spínače a plazmovo-chemické reaktory atď.

V roku 1873 objavil F. Guthrie efekt nelineárnej vodivosti vo vákuovej trubici s termionickou katódou. Keď mala katóda záporný potenciál, jej elektróny vytvorili elektrický prúd a s opačnou polaritou boli uzamknuté na katóde a v lampe neboli prakticky žiadne nosiče. Na dlhú dobu tento efekt nebol žiadaný, kým v roku 1904 potreby rádiového inžinierstva neviedli k vytvoreniu termionickej (vákuovej) diódy. A keďže v takomto zariadení je elektrické pole zodpovedné za vodivosť, zavedenie ďalších malých potenciálov umožňuje riadiť tok elektrónov, tj. zásah elektrickým prúdom. Tak boli stvorení nelineárne odpory riadené elektrickým poľom (rádiové trubice), ktorý nahradil veľké, inerciálne a prúdom riadené nelineárne magnetické systémy. Hlavnými nevýhodami rádiových elektrónok bola vyhrievaná katóda, ktorá vyžaduje samostatný zdroj energie a vhodné chladenie, ako aj pomerne veľké rozmery kvôli vákuovej banke.

Preto takmer súčasne s vákuovou (termionickou) diódou vzniká tuhá dióda založená na p-n prechod, ktorý vzniká v mieste dotyku dvoch polovodičov s rôzne typy vodivosť. Technologické ťažkosti pri výrobe čistých polovodičových materiálov však trochu oddialili zavedenie týchto prvkov vo vzťahu k rádiovým elektrónkam.

Pri kontakte dvoch oblastí s rôznymi typmi vodivosti nosiče náboja z nich vzájomne prenikajú (difundujú) do susednej oblasti, kde nie sú väčšinovými nosičmi. V tomto prípade zostávajú nekompenzované akceptory (záporné náboje) v oblasti p a nekompenzované donory (pozitívne náboje) zostávajú v oblasti n, ktoré tvoria oblasť vesmírneho náboja(SCR) s elektrickým poľom, ktoré bráni ďalšej difúzii nosičov náboja. V zóne p-prechod n vytvorí sa rovnováha s rozdielom kontaktného potenciálu, ktorý pre kremík, ktorý je široko používaný v polovodičových zariadeniach, predstavuje 0,7 V.

Keď je pripojené vonkajšie elektrické pole, táto rovnováha je narušená. S predpätím („+“ v oblasti typu p) sa šírka SCR zmenšuje a koncentrácia minoritného nosiča sa zvyšuje exponenciálne. Sú kompenzované hlavnými nosičmi prichádzajúcimi cez kontakty z vonkajšieho okruhu, ktorý vytvára jednosmerný prúd, exponenciálne sa zvyšuje so zvyšujúcim sa predpätím predpätia.

S reverznou odchýlkou ​​(„-“ v oblasti typu p) sa šírka SCR zväčšuje a koncentrácia menšinových nosičov klesá. Do tejto zóny nevstupujú hlavní dopravcovia, ale do existujúcej spätný prúd je spôsobená len odstránením menšinových nosičov z SCR a nezávisí od použitého napätia. Dopredné a spätné prúdy sa môžu líšiť 105-106 krát, čo vytvára významnú nelinearitu charakteristiky prúdového napätia. O určitú hodnotu spätného napätia môžu nosiče náboja počas svojho voľného pohybu získať energiu dostatočnú na vytvorenie nových párov nábojov, keď sa zrazia s neutrálmi, ktoré následne získavajú energiu a podieľajú sa na zrode nových párov. Výsledný lavínový prúd zmetie všetky potenciálne bariéry v jeho ceste, čím sa polovodič zmení na obyčajný vodič.

UGO polovodičová dióda

Typický tvar prúdovo-napäťovej charakteristiky p-n prechodu (diódy)

Aproximácia „ideálnej“ diódy je ideálny elektrický spínač riadený polaritou napätia. Toto však nezohľadňuje také parametre ako:

1) Dopredný pokles napätia pri úniku jednosmerný prúd, čo je v mnohých reálnych zariadeniach 1 -1,5 V, čo vedie k aktívnym stratám P = (1¸1,5)I a následne k zahrievaniu prvku a obmedzovaniu prúdov pre konkrétny prvok. Riešenie problémov s tepelným chladením polovodičové zariadenia, ako aj ich tepelná stabilita, sú jedným z hlavných problémov pri navrhovaní elektrických zariadení. Nepriamo úmerná závislosť poklesu napätia v priepustnom smere od teploty obmedzuje použitie zariadení s p-n prechodmi v paralelnom zapojení.

2) Reverzné prúdy, ktoré možno zanedbať len vtedy, ak sú o niekoľko rádov menšie ako jednosmerné prúdy.

3) Lavínové prierazné napätie, ktorý určuje prevádzkový limit prvku pod spätným napätím, na ktorý si treba dať pozor najmä pri práci s impulznými indukčnými prvkami. Celková hrúbka kryštálu však obmedzuje spätné napätie na 1 – 2 kV. Ďalšie zvýšenie spätného napätia je možné len pri postupnej montáži prvkov s vyrovnaním spätných prúdov.

4) Časové charakteristiky najmä čas na zotavenie(čas prechodu z vodivého do nevodivého stavu), čo je vlastne čas odsunu menšinových nosičov z SCR a jeho rozšírenia. A tento parameter je určený difúznymi procesmi s charakteristickou dobou trvania 10-5 s. Pri modelovaní impulzných odoziev v diódových ekvivalentných obvodoch sa používajú 2 kapacitné prvky: bariérová kapacita, ktorý je určený veľkosťou SCR a priestorovým nábojom (je významný pri reverzných napätiach), ako aj difúzna kapacita, ktorá je určená koncentráciou majoritných a menšinových nosičov (je významná pre pokles napätia v priepustnom smere). Difúzna kapacita určuje časy akumulácie a resorpcie nerovnovážneho náboja v SCR a môže dosiahnuť hodnotu niekoľkých desiatok nanofarád. Vývoj technologických procesov pri výrobe diód umožnil výrazne ovplyvniť impulzné charakteristiky a skrátiť čas obnovy na desiatky nanosekúnd v rýchlych a ultrarýchlych diódach.

Preto vyvinutý pre program Spice matematický model reálnej polovodičovej diódy a jej ďalších úprav je pomerne zložitý matematický výraz, ktorý zahŕňa až 30 konštánt, ktoré si užívateľ nastaví na modelovanie konkrétneho prvku.

K vytvoreniu viedli práce na znížení poklesu napätia vpred Schottkyho diódy, v ktorom je p-n prechod nahradený Schottkyho bariérou tvorenou dvojicou kov-polovodič. To umožnilo zmenšiť veľkosť SCR a približne na polovicu znížiť priepustný pokles napätia, ale zároveň sa výrazne znížilo prípustné spätné napätie (< 250 В) и увеличились обратные токи. При этом улучшились импульсные характеристики, что позволило применять эти диоды при частотах до 100 кГц.

Prudký pokles dynamický odpor(Rд=dU/dIt) pri reverznom prieraznom napätí umožňuje použitie diód ako stabilizátorov napätia, ako sú varistory. Ale diódy, na rozdiel od varistorov, majú nižšie hodnoty dynamického odporu. Treba však vziať do úvahy, že v stabilizačnom režime sa energia uvoľnená v SCR p-n prechodu rovná P = Ul. pr×I. Preto vznikli Zenerove diódy A lavínové diódy s tepelne odolným p-n prechodom a na ich základe Zenerove diódy.

Keď jednosmerný prúd prechádza cez SCR, nosiče náboja sa rekombinujú s emisiou fotónu, ktorého vlnová dĺžka je určená polovodičovým materiálom. Obmenou zloženia tohto materiálu a prevedením prvku je možné vytvárať LED diódy s koherentným ( laserové diódy) a nekoherentné žiarenie pre veľmi široký spektrálny rozsah, od ultrafialového po infračervené svetlo.

Rozvoj polovodičových technológií viedol k vytvoreniu bipolárny tranzistor, ktorý pozostáva z troch vrstiev polovodičového materiálu s rôznymi typmi vodivosti, n-p-n alebo p-n-p. Tieto vrstvy sa nazývajú kolektor-báza-emitor. Získali sme teda 2 po sebe idúce p-n križovatky, ale s opačne smerovanou vodivosťou. Na dosiahnutie tranzistorového efektu je potrebné, aby vodivosť emitora bola väčšia ako vodivosť bázy a hrúbka bázy bola porovnateľná so šírkou SCR prechodu kolektor-báza s reverznou vodivosťou. Pre práca n-p-n tranzistor podľa obvodu so spoločnou bázou, kladný pól zdroja je pripojený ku kolektoru, záporný pól k emitoru a prechod báza-emitor je otvorený s prídavným zdrojom. Zároveň do tenkej základnej vrstvy začnú prúdiť menšinové nosiče – elektróny. Niektoré z nich pod vplyvom kladného potenciálu kolektora prejdú cez uzavretý prechod základňa-kolektor, čo spôsobí zvýšenie kolektorového prúdu ako spätného prúdu cez tento prechod. Okrem toho môže byť kolektorový prúd niekoľko stokrát vyšší ako základný prúd ( tranzistorový efekt).

Bipolárny tranzistor si teda možno predstaviť ako nelineárny odpor riadený základným prúdom.

Bipolárne tranzistory UGO majú nasledujúci tvar:

I-V charakteristika bipolárneho tranzistora alebo závislosť kolektorového prúdu od napätia kolektor-emitor UCE(IC) pre tranzistor 2N2222 pri rôznych prúdoch bázy.

Kolektorový prúd je teda určený základným prúdom, ale táto závislosť pri nízkych základných prúdoch je výrazne nelineárna. Ide o tzv aktívny režim.

Pri vysokých prúdoch bázy, keď sa dosiahne úplné otvorenie prechodu kolektor-báza, tranzistor prejde do saturácie pri minimálnom poklese napätia kolektor-emitor, ktorý sa rovná dvojnásobku rozdielu kontaktného potenciálu "1,2-1,4 V (dva sériovo zapojené otvorené p-n prechod). dostaneme bohatý režim.

Z toho vyplývajú 2 možnosti použitia tranzistorov - v aktívnom režime, as zosilňovač, a v nasýtenom režime - ako elektrický kľúč.

Zoberme si príklad použitia tranzistora v aktívnom režime - lineárny stabilizátor napätia.

V tomto zapojení je tranzistor zapojený podľa spoločného kolektorového obvodu, t.j. kolektorový prúd a zdroj prúdu bázy sú spojené spoločným bodom a riadiaci prúd vstupuje do bázy cez odpor Rv. Keďže prechod báza-emitor je otvorený, môžeme predpokladať, že pokles napätia na ňom nezávisí od prúdu a rovná sa potenciálnej bariére UBE = 0,6-0,7 V. Pri absencii zenerovej diódy DZ výstupné napätie podľa pravidla deliča napätia UOUT ~ UIN RL/RV+RL. Zenerova dióda DZ udržuje konštantnú úroveň napätia na základe UZ. Ale potom UOUT= UZ - UBE je konštantná hodnota a nezávisí od vstupného napätia a záťažového prúdu. O DC záťaž a podľa toho aj prúd bázy, akékoľvek zvýšenie vstupného napätia Uin nezmení kolektorový prúd, pretože dynamický odpor prechodu kolektor-báza v aktívnom režime tranzistora je blízky ¥. Zároveň zmena záťažového prúdu jednoducho povedie k zmene základného prúdu a teda k zmene kolektorového prúdu.

Prevádzka bipolárneho tranzistora v saturačnom režime vyžaduje veľké riadiace prúdy, úmerné veľkosti a trvania spínaným prúdom. Preto to bolo navrhnuté tyristor, ktorý pozostáva zo 4 po sebe idúce p-n-p-n vrstvy.

Po zapnutí riadiaceho prúdu sa otvorí prvý p-n prechod (báza-emitor tranzistora Q1) a elektróny z emitora začnú prenikať cez druhý p-n prechod (báza-kolektor tranzistora Q1).. V tomto prípade sa otvára tretí p-n prechod (báza-emitor). pnp tranzistor a Q2) a podľa toho aj druhý p-n prechod (bázový kolektor tranzistora Q2). Tým sa zabezpečí tok prúdu do prvého pn prechodu a riadiaci prúd už nie je potrebný. Hlboké spojenie medzi všetkými prechodmi zabezpečuje ich sýtosť.

Tak sa nám krátkym impulzom riadiaceho prúdu podarilo previesť systém do nasýteného stavu s úbytkom napätia asi 2 V. Na vypnutie prúdu v tejto štruktúre ho potrebujeme znížiť na 0 a to je dosť ľahko dosiahnuteľné harmonickým signálom. V dôsledku toho sme získali výkonné polovodičové spínače pre siete striedavého prúdu, riadené krátkymi impulzmi na začiatku každého polcyklu.

Môžete tiež zmeniť vodivosť polovodičovej štruktúry tým, že na ňu aplikujete elektrické pole, ktoré vytvorí ďalšie nosiče prúdu. Tieto médiá budú hlavné a nemusia sa nikam rozptyľovať. Táto okolnosť poskytuje dve výhody v porovnaní s bipolárnymi štruktúrami.

Po prvé, časy zmeny vodivosti sa znížia a po druhé, riadenie sa vykonáva potenciálnym signálom pri prakticky nulovom prúde, to znamená, že hlavný prúd je prakticky nezávislý od riadiaceho prúdu. A ďalšia výhoda vznikla vďaka homogenite polovodičovej štruktúry, riadenej elektrickým poľom – ide o kladný teplotný koeficient odporu, ktorý umožnil vyrábať tieto štruktúry pomocou mikroelektroniky vo forme jednotlivých mikročlánkov (až niekoľko miliónov na cm2) av prípade potreby ich zapojte paralelne.

Tranzistory vytvorené na tomto princípe sa nazývajú pole(v zahraničnej literatúre FET alebo Field emisný tranzistor). V súčasnosti vyvinutý veľké množstvo rôzne konštrukcie takýchto zariadení. Uvažujme tranzistor s efektom poľa s izolovaným hradlom, v ktorom je riadiaca elektróda ( brána), oddelené od polovodiča izolačnou vrstvou, zvyčajne oxidom hlinitým. Tento dizajn sa nazýva MOS (metal-oxide-semiconductor) alebo MOS (metal-oxide-semiconductor). Priestor polovodiča, kde sa vplyvom elektrického poľa vytvárajú ďalšie nosiče, sa nazýva kanál, vchod a východ, ku ktorým sú prizvané zdroj A odtok. V závislosti od technológie výroby môžu byť kanály indukované (v n-materiáli vzniká p-vodivosť alebo naopak) alebo zabudované (priestor s p-vodivosťou vzniká v n-materiáli alebo naopak). Obrázok ukazuje typický horizontálny dizajn MOS tranzistora s indukovaným a vstavaným p-kanálom.

UGO MOS tranzistor

Prezentované tu prenosové charakteristiky tranzistor BUZ11, a to závislosť kolektorového prúdu a napätia drain-source od napätia hradla. Je vidieť, že otváranie tranzistora začína od určitej hodnoty Uthr a pomerne rýchlo sa dostáva do saturácie.

Tu je statická charakteristika tranzistora BUZ11, a to závislosť odberového prúdu od napätia kolektor-zdroj. Značky označujú body prechodu do režimu sýtosti

Odolnosť tranzistorov s efektom poľa voči prúdovému preťaženiu, vysoký vstupný odpor, ktorý môže výrazne znížiť riadiace straty, vysoká rýchlosť spínania, kladný teplotný koeficient odporu - to všetko umožnilo zariadeniam s riadením poľa nielen prakticky nahradiť bipolárne zariadenia, ale aj vytvoriť nový smer v elektrotechnike - inteligentná výkonová elektronika, kde sú energetické toky takmer akéhokoľvek výkonu riadené na hodinových frekvenciách rádovo v desiatkach kilohertzov, teda prakticky v reálnom čase.

Avšak pri vysokých prúdoch sú tranzistory s efektom poľa horšie ako bipolárne tranzistory z hľadiska priamych strát. Ak v bipolárnom tranzistore, za predpokladu, že je nasýtený, straty sú určené P = IKUpr, kde Upr je prakticky nezávislé od prúdu a je približne rovné výške potenciálovej bariéry na dvoch otvorených p-n križovatky, potom v tranzistoroch s efektom poľa P=IC2 Rpr, kde Rpr je hlavne odpor homogénneho kanála.

Riešenie tohto problému sa našlo kombináciou riadenia poľa s bipolárnym tranzistorom. Tento bipolárny tranzistor s izolovaným hradlom je lepšie známy pod obchodným názvom IGBT (Insulation Gate Bipolar Transistor).

UGO pre IGBT

Ako vidíte, tu bola k vertikálnej štruktúre tranzistora s efektom poľa pridaná vrstva p+ ako substrát a medzi emitor E a kolektor K a bipolárne p-n-p tranzistor. Pod vplyvom kladného potenciálu na bráne G sa v p-oblasti objaví vodivý kanál, ktorý otvára spoj J1. Súčasne začína vstrekovanie menšinových nosičov hlboko do nízkoodporovej n-vrstvy, vrstva J2 sa mierne otvára a medzi kolektorom a emitorom začína pretekať prúd podporovaný nosičmi v p-vrstve, ktoré udržujú p-n prechod. J1 v otvorenom stave. Pokles napätia na JGBT je určený poklesom napätia na otvorených p-n prechodoch J1 a J2, rovnako ako v bežnom bipolárnom tranzistore. Časy odbočenia JGBT sú určené časmi resorpcie menšinových nosičov z týchto uzlov. To znamená, že zariadenie sa zapína ako tranzistor s efektom poľa a vypína sa ako bipolárny, ako je možné vidieť na príklade spínania zariadenia GA100T560U_IR.

Túto štruktúru možno považovať za kombináciu riadiaceho tranzistora s efektom poľa a bipolárneho hlavného tranzistora.

Teplotná závislosť poklesu napätia na JGBT je určená záporným koeficientom na J2 prechode a kladným koeficientom na kanáli p-vrstvy, ako aj n-vrstve. Vďaka tomu sa vývojárom podarilo presadiť kladný teplotný koeficient, čo otvorilo cestu pre paralelné prepojenie týchto polovodičových štruktúr a umožnilo vytvárať zariadenia pre prakticky neobmedzené prúdy.

Montáž na IGBT pre spínanie

napätia do 3300 V a prúdov

Nelineárne prvky sú všetky polovodičové a elektronické zariadenia, ktoré pracujú so signálmi, ktorých okamžité hodnoty sa menia v pomerne širokom rozsahu. Pre špecifickosť budeme uvažovať o nelineárnych dvojkoncových sieťach, keď vstupný signál je napätie a výstupný signál je prúd
v ňom. Všetky metódy a výsledky je možné preniesť na prípad nelineárnej štvorpólovej siete, napríklad tranzistora pracujúceho v nelineárnom režime pri veľkých amplitúdach vstupného signálu. Výstupný obvod je tu reprezentovaný zdrojom prúdu riadeným vstupným napätím. Charakteristický nelineárny prvok vytvára funkčný nelineárny vzťah medzi napätím
a sila prúdu
v ňom:

(2.1)

IN inerciálny prvok okamžitá hodnota prúdu
závisí nielen od hodnoty napätia
v rovnakom čase , ale aj na hodnoty tohto napätia v predchádzajúcich časoch. Bez zotrvačnosti prvky, prísne vzaté, neexistujú. Stav bez zotrvačnosti sa vykonáva približne v prípade charakteristického času zmeny vstupný signál výrazne prekračuje čas vytvorenia procesu vo vnútri samotného nelineárneho prvku. Čas na vytvorenie ustáleného stavu v polovodičových zariadeniach je
s.

Zotrvačnosť zariadení môže byť spojená so zotrvačnosťou prúdových nosičov. Ako sa frekvencia kmitov zvyšuje, začína sa prejavovať, keď sa čas prechodu nosičov zariadením stáva porovnateľným s periódou kmitania. Takáto zotrvačnosť sa prejavuje vznikom oneskorenia (posunu) vo fázach výstupného prúdu voči vstupnému napätiu, zmenou aktívnych vstupných a výstupných odporov a ich transformáciou na komplexné atď. zosilňovačov a výstupné výkony generátorov zvyčajne klesajú. Charakteristickým typom zotrvačnosti je tepelná zotrvačnosť pri zmenách teploty, a teda aj odporu termistorov. Len pri dostatočne nízkej frekvencii kmitov dokáže teplota jeho prvku sledovať okamžité hodnoty napätia. Napríklad už pri frekvencii
Hz odpor vlákna žiarovky nemá prakticky žiadny čas na zmenu, čo zaisťuje rovnomerné osvetlenie. Podobné inerciálne prvky sa používajú v generátoroch harmonických kmitov na zlepšenie ich charakteristík.

Výpočet nelineárneho inerciálneho zariadenia je možné zjednodušiť, ak ho možno znázorniť spojením dvoch jednoduchších zariadení: nelineárneho bezinerciálneho zariadenia a lineárneho inerciálneho zariadenia (filtra). Tento prístup možno použiť napríklad na výpočet rezonančného alebo pásmového zosilňovača pri veľkých amplitúdach vstupného signálu. Aktívny prvok zosilňovača (tranzistor alebo elektrónka) nech je reprezentovaný ako nelineárne zariadenie bez zotrvačnosti a nelineárne skreslenia v jeho pasívnej záťaži (oscilačný obvod alebo systém združených obvodov) môžeme zanedbať. Zaťaženie obsahujúce reaktívne prvky je aproximované lineárnym inerciálnym zariadením.

Nelineárne prvky, ako už bolo uvedené, sú všetky polovodičové a elektronické zariadenia, ktoré pracujú s dostatočne veľkými vstupnými signálmi. Zapnuté nízke frekvencie ekvivalentné obvody týchto zariadení môžu byť reprezentované vo forme odporových nelineárnych prvkov, ktorých vlastnosti sú určené charakteristikami prúdového napätia, t.j. závislosťou prúdov od použitých napätí odporový prvok je určený napäťovo-napäťovou charakteristikou v rovnakom časovom okamihu. Preto sa odporové nelineárne prvky nazývajú aj nelineárne prvky bez zotrvačnosti.

Pri dostatočne vysokých frekvenciách sa charakteristiky nelineárnych prvkov ukážu ako frekvenčne závislé. Táto závislosť je spôsobená:

porovnateľnosť času stráveného pohybom nosičov zariadením a procesmi rekombinácie s periódou oscilácií, ktoré naň pôsobia. Ak je trvanie týchto procesov viditeľnou súčasťou periódy oscilácií, výstupný prúd zariadenia zaostáva vo fáze so vstupným signálom, t.j. zariadenie sa stáva zotrvačným. Často sa berie do úvahy zotrvačnosť zariadenia

zavedenie dodatočných frekvenčne závislých reaktancií do ekvivalentného obvodu.

Statické charakteristiky elektronického zariadenia (sú merané pri jednosmernom prúde) pomerne úplne charakterizujú zariadenie len v rámci tých frekvencií, kde ho možno považovať za odporové, teda bez zotrvačnosti. Na obr. 2.1 sú znázornené prúdovo-napäťové charakteristiky typických nelineárnych rezistorov a ich symbolov: polovodičové (a) a tunelové (b) diódy, bipolárne a poľom riadené tranzistory, dinistor Vlastnosti elektróniek (diódy, triódy, tetódy, pentódy) sú podobné tým, ktoré sú znázornené na obr.

Charakteristiky môžu byť jednohodnotové alebo viachodnotové. V jednohodnotových zodpovedá každá hodnota argumentu jednej hodnote funkcie pre dané hodnoty parametrov (obr. 2.1 a, c-d). V druhom prípade niektoré hodnoty jednej veličiny zodpovedajú niekoľkým hodnotám inej (obr. 2.16, f). Všimnite si, že hysterézne charakteristiky sú viachodnotové.

Nelineárne prvky sa delia na riadené a neriadené. Medzi prvé patria multielektródové zariadenia, ktoré majú oddelený vstup a výstup (tranzistory, mriežkové elektronické alebo iónové zariadenia), pretože výstupnú charakteristiku v nich možno ovládať zmenou vstupného efektu. Dvojelektródové zariadenia (diódy) sú nekontrolovateľné.

Ak je známa nejaká (priama) závislosť, potom sa závislosť nazýva inverzná. Priama charakteristika teda zodpovedá inverznej

Zariadenia, ktoré majú klesajúce oblasti v charakteristikách prúdového napätia, kde sú deriváty alebo sa nazývajú zariadenia so záporným odporom. V závislosti od písmena, ktoré sa podobá tvaru charakteristiky zariadenia, sa rozlišujú dva typy záporných odporov: - typové odpory, ktorých typ charakteristiky prúdového napätia je podobný tomu, ktorý je znázornený na obr. 2,16; nazývajú sa tiež napäťovo riadené záporné odpory, pretože je to napätie, ktoré jednoznačne určuje ich prevádzkový režim; Odpory typu S, ktorých prúdovo-napäťové charakteristiky zodpovedajú obr. 2,1e; nazývajú sa tiež záporné odpory riadené prúdom, pretože ich režim je jednoznačne určený prúdom pretekajúcim zariadením. Ak je na obr. zameňte súradnicové osi, potom charakteristika tohto zariadenia nadobudne tvar. Rozdielové odpory prvkov oboch typov sú negatívne v oblastiach a kladné mimo nich. -zariadeniami typu sú tunelové diódy, Gunnove diódy, lampy s dynatrónovým efektom; -zariadenia typu - niektoré iónové (gastróny, neónky) a polovodičové (dynistra, tyristory, lavínové prechodové diódy) zariadenia.

Na výpočet obvodov s nelineárnymi prvkami sa používajú grafické, analytické a strojové metódy. Výhodou grafických metód je schopnosť vizuálne určiť prúdy a napätia v obvode pre jeho dané parametre. Avšak grafické riešenie neumožňuje stanovenie analytických závislostí medzi zmenami parametrov zariadenia a hodnotami jeho prúdov a napätí, stanovenie optimálnych hodnôt parametrov a pod. Analytické metódy zaisťujú stanovenie takýchto závislostí a to je ich hlavná výhoda. Pri analýze zložité obvody Najmä s vysokou presnosťou sa analytické riešenia ukážu ako veľmi ťažkopádne alebo prakticky nemožné. Potom sa používajú metódy strojového výskumu.

Určme graficky (obr. 2.2) prúd pretekajúci odporovým nelineárnym prvkom pod vplyvom napätia

Metóda projekcie, ktorá sa na to používa, je nasledovná: všimneme si hodnoty na grafe a v rôznych momentoch potom pomocou charakteristiky prúd-napätie nájdeme zodpovedajúce hodnoty prúdu a vykreslíme ich roviny.

Obálka tohto dáva závislosť Je vhodné začať s konštrukciou určením prúdu v momentoch zodpovedajúcich maximálnym, minimálnym a priemerným hodnotám napätia a až potom nájsť stredné hodnoty prúdu. Pri vystavení harmonický signál(2.1) sa ukazuje, že prúd je periodickou funkciou rovnakej frekvencie, ale iného tvaru.

Klasifikácia nelineárnych prvkov

Nelineárne elektrické obvody

ODDIEL II. NELINEÁRNE OBVODY

Nelineárne obvody sú obvody, v ktorých je aspoň jeden nelineárny prvok Nelineárny prvok je prvok, pre ktorý je vzťah medzi prúdom a napätím určený nelineárnou rovnicou.

V nelineárnych obvodoch princíp superpozície neplatí, a preto neexistuje bežné metódy výpočet. To si vyžaduje vývoj špeciálnych výpočtových metód pre každý typ nelineárnych prvkov a ich prevádzkové režimy.

Nelineárne prvky sú klasifikované:

1) podľa fyzickej povahy: vodičové, polovodičové, dielektrické, elektronické, iónové atď.;

2) od prírody rozdelené na odporové, kapacitné a indukčné;

VAC VAC VAC

3) podľa typu charakteristík všetky prvky sa delia

Pre symetrické a asymetrické. Symetrické sú tie, ktorých charakteristika je symetrická vzhľadom na počiatok súradníc. Pre asymetrické prvky sa kladný smer napätia alebo prúdu vyberie raz a navždy a charakteristiky prúdového napätia sú pre ne uvedené v referenčných knihách. Pri riešení problémov pomocou týchto charakteristík prúdového napätia je možné použiť iba tento smer.

Jednoznačne a nejednoznačne. Nejednoznačné, keď niekoľko bodov zodpovedá jednej hodnote prúdu alebo napätia na charakteristike prúdového napätia;

4) inerciálne a neinerciálne prvky. Inerciálne prvky sú prvky, v ktorých je nelinearita spôsobená zahrievaním telesa pri prechode prúdu. Pretože sa teplota nemôže meniť ľubovoľne rýchlo, pri prechode striedavého prúdu takýmto prvkom s dostatočne vysokou frekvenciou a konštantnou efektívnou hodnotou zostáva teplota prvku takmer konštantná počas celej doby zmeny prúdu. Preto sa pre okamžité hodnoty prvok ukáže ako lineárny a je charakterizovaný nejakou konštantnou hodnotou R (I,U). Ak sa zmení efektívna hodnota prúdu, zmení sa teplota a získa sa iný odpor, t.j. pre efektívne hodnoty sa prvok stane nelineárnym.

5) riadené a neriadené prvky. Vyššie sme hovorili o neriadených prvkoch. TO riadené prvky zahrňujú prvky s tromi alebo viacerými svorkami, u ktorých je možné zmenou prúdu alebo napätia na jednej svorke meniť charakteristiku prúd-napätie vzhľadom na ostatné svorky.

V závislosti od konkrétnu úlohu Je vhodné použiť určité parametre prvkov a ich celkový počet je veľký, najčastejšie však využívajú statické a diferenciálne parametre. Pre odporový dvojpólový prvok to bude statický a diferenciálny odpor.

IN daný bod CVC

V danom pracovnom bode charakteristika prúd-napätie

1. Dajte malý prírastok napätia. Prírastok prúdu spôsobený týmto prírastkom sa zistí z charakteristiky prúd-napätie a vezme sa ich pomer. Nevýhodou tejto metódy je, že na zvýšenie presnosti výpočtu je potrebné znížiť D.U. A D.I., ale s harmonogramom sa ťažko pracuje.

2. K danému bodu krivky sa nakreslí dotyčnica a potom geometrickou definíciou derivácie dostaneme

Kde sú prírastky brané na tejto dotyčnici a môžu byť také veľké, ako chcete.

Ak je známy prevádzkový režim nelineárneho prvku, potom je v tomto bode známy jeho statický odpor, ako aj napätie a prúd, takže ho možno nahradiť jedným z 3 spôsobov.

Ak je známe, že počas prevádzky obvodu sa prúd a napätie menia v rámci „viac-menej priamej časti charakteristiky prúdového napätia“, potom je táto časť opísaná lineárnou rovnicou a je s ňou spojený takýto ekvivalentný obvod. .

Linearizujte tento úsek pomocou rovnice tvaru U=a+ib.Získajte pre to koeficienty rovnice.

O i=0 a U=Uo=a,

Nelineárne prvky možno rozdeliť do troch skupín: nelineárne aktívne odpory r, nelineárne indukčnosti L a nelineárne kapacity C. Príkladom nelineárnych aktívnych odporov sú vákuové a polovodičové diódy a triódy, nelineárne indukčnosti sú indukčné cievky a transformátory s magnetickým jadrom, nelineárne kapacity sú kondenzátory s feroelektrickým dielektrikom.

V každej z týchto skupín možno nelineárne prvky rozdeliť do dvoch tried: neriadené a riadené nelineárne prvky.

Neriadené nelineárne prvky môžu byť vždy reprezentované ako dvojterminálna sieť. Prúd tejto siete s dvomi svorkami závisí iba od napätia aplikovaného na jej svorky. Takýto nelineárny prvok sa vyznačuje jednou charakteristikou prúdového napätia. Príkladom nekontrolovaného nelineárneho odporu je vákuová alebo polovodičová dióda.

Riadené nelineárne prvky sú zvyčajne viackoncové. Prúd v hlavnom obvode takéhoto prvku závisí nielen od napätia aplikovaného na hlavný obvod, ale aj od iných parametrov (riadiacich faktorov). Riadiace faktory môžu byť elektrické alebo neelektrické. Príkladmi riadených nelineárnych prvkov s elektrickým riadiacim faktorom sú multielektródy vákuové trubice a magnet

ny zosilňovačov. Príkladom riadeného nelineárneho odporu s neelektrickým riadiacim faktorom je fotorezistor, ktorého veľkosť prúdu závisí od množstva osvetlenia.

Na základe princípu tepelnej zotrvačnosti možno neriadené nelineárne aktívne odpory rozdeliť do dvoch skupín: zotrvačné a bezzotrvačné.

Príkladmi zotrvačných odporov sú žiarovky a termistory. Pre tieto prvky je vzťah iba medzi efektívnymi alebo amplitúdovými hodnotami prúdov a napätí výrazne nelineárny. V dôsledku tepelnej zotrvačnosti sa odpor týchto prvkov počas obdobia sínusového prúdu mení nevýznamne. Preto s dostatočnou presnosťou pre prax môžeme predpokladať, že vzťah medzi okamžitými hodnotami prúdu a napätia v rámci jednej periódy je lineárny.

Príkladom odporov bez zotrvačnosti sú elektrónkové a polovodičové diódy a triódy na nie príliš vysokých frekvenciách. Charakteristiky sú tu nelineárne pre efektívne aj okamžité hodnoty prúdov a napätí.

Je potrebné poznamenať, že všetky skutočné prvky elektrických obvodov majú určitú nelinearitu. Preto je rozdelenie elektrických obvodov na lineárne a nelineárne podmienené. Prvok obvodu možno považovať za lineárny alebo nelineárny v závislosti od stupňa nelinearity a úlohy, ktorá sa kladie pri zvažovaní tohto obvodu.