АНАЛИЗ СХЕМ С НЕЛИНЕЙНЫМИ КОМПОНЕНТАМИ

Сентябрь 3, 2022

Главная
Алгебра
АНАЛИЗ СХЕМ С НЕЛИНЕЙНЫМИ КОМПОНЕНТАМИ

Содержание

2. ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В курсе электротехники изучают основные пассивные компоненты электрических цепей: резисторы (сопротивления), конденсаторы
3. Эти элементы объединяются в схемы совместно с источниками напряжения или источниками тока (постоянного или переменного тока).
4. В курсе компьютерной электроники, кроме указанных элементов, изучают нелинейные активные и пассивные компоненты – диоды, транзисторы
5. На рис приведена Вольт-Амперная характеристика (ВАХ) резистора номиналом 10 Ом (т.е. зависимость тока через резистор от
6. На рис. приведена Вольт-Амперная характеристика идеального источника напряжения (напряжение этого источника постоянное при любых значениях тока).
7. На рис. приведена Вольт-Амперная характеристика (ВАХ) идеального ис-точника тока (ток этого источника постоянный при любых значениях
8. Реальные источники напряжения имеют отличное от нуля внутреннее сопротивление. На схеме реальный источник изображается как последовательное
9. В реальном источнике напряжения электро-движущую силу Е можно измерить вольтметром на «холостом ходу»: Е = Uхх,
10. Схемы реальных источников тока и напряжения являются эквивалентными, т.е., зная параметры реального источника напряжения (E, Rвн),
11. На рис. приведена Вольт-Амперная характеристика реального источника напря-жения (тока). Горизонтальная пунктирная линия соответствует величине идеального источника
12. Обычно для реальных источников напряжения измерение тока короткого замыкания Iкз может привести к разрушению такого источника
13. ΔUн – изменение напряжения нагрузки: ΔUн = Uхх – Uн; ΔІн – изменение тока нагрузки: ΔІн
14. В точке пересечения графиков выполняется второй закон Кирхгофа: Ін * Rвн + Ін * Rнагр =
15. ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДОВ Элементы, которые мы рассматривали до сих пор, относятся к линейным. Это значит, что
16. Диод представляет собой пассивный нелинейный элемент с двумя выводами. Внутреннее строение диода – это полупроводниковый кристалл,
17. За счет действия электростатических сил эти противоположные заряды группируются на границе p-n-перехода, образуя потенциальный барьер –
18. Первый квадрант этого графика соответствует «прямому включению диода», т.е. на анод подается положительное напряжение, а на
19. «Обратная ветвь» Вольт-Амперной характеристики диода соответствует подключению к аноду диода отрицательного напряжения, а к катоду –
20. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ДИОДОВ Максимальный прямой ток – Iмакс; Максимальный импульсный прямой ток – Iмакс_имп; Максимальное обратное
21. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ДИОДОВ Диффузионная емкость p-n-перехода при прямом включении – Сдиф; Барьерная емкость p-n-перехода при обратном
22. По значению максимальной рабочей частоты диоды подразделяются на группы: Низкочастотные выпрямительные диоды – рабо-тают в выпрямителях
23. Некоторые параметры реальных диодов можно рассчитать по Вольт-Амперной характеристике. 2 Iд 8 10 I, мА 1
24. Для второго метода измерения Вольт-Амперной характеристики необходим источник с переменным регулируемым выходным напряжением Е На графике
25. Статическое сопротивление диода числено равно отноше-нию напряжения на диоде к току: Rстат = Uд / Iд.
26. Барьерная емкость p-n-перехода Собр зависит от приложенного об-ратного напряжения. Поэтому в современных телевизорах и радиопри-емниках используют
27. Основные параметры диодов изменяются при изменении температуры p-n-перехода. Для кремниевых диодов увеличение температуры на один градус
28. Ток, протекающий через диод при «обратном включении» также существенно зависит от температуры. При увеличении температуры на
29. При расчете электронных схем часто используют простейшую аппрок-симацию ВАХ диода двумя прямыми линиями Точка пересечения этих
30. В вычислительной тех-нике используются диоды, реализованные на основе перехода «ме-талл-полупроводник». Полупроводник может иметь проводимость n-типа или
31. Поэтому прямая ветвь ВАХ начинается практически с нулевого напряжения Падение напряжения на диоде не превышает 0,1÷0,3
32. Резкое возрастание тока при увеличении обрат-ного напряжения на p-n-переходе используется как положительное свойство в специальных диодах
33. ТУННЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ Особое место среди полу-проводниковых диодов занимает туннельный диод из-за свойственного ему «падающего участка» ВАХ
35. Скачать презентацию

Слайд 2

ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
В курсе электротехники изучают основные пассивные компоненты

электрических цепей: резисторы (сопротивления), конденсаторы и катушки индуктивности. На рис. показано условное графическое обозначение (УГО) этих элементов:

или

Слайд 3

Эти элементы объединяются в схемы совместно с источниками напряжения или источниками

тока (постоянного или переменного тока). На рисунке показано условное графическое обозначение активных источников:

–

Слайд 4

В курсе компьютерной электроники, кроме указанных элементов, изучают нелинейные активные и

пассивные компоненты – диоды, транзисторы и др.
Основной метод расчета и анализа схем с нелинейными компонентами – это графоаналитический метод.
Для этого метода необходимы Вольт-Амперные характеристики (ВАХ) применяемых активных и пассивных компонентов.

Слайд 5

На рис приведена Вольт-Амперная характеристика (ВАХ) резистора номиналом 10 Ом (т.е.

зависимость тока через резистор от величины приложенного напряжения)
Этот график иллюстрирует закон Ома: I = U / R.

U, В

I, А

–1

–2

–3

–0,2

–0,3

0,1

0,2

0,3

Котангенс угла α наклона прямой численно равен номиналу резистора – ctg(α) = R = 10 (Ом).
Производная этого графика равна: dI / dU = 1 / R (т.е. численно равна проводимости резистора ).

Слайд 6

На рис. приведена Вольт-Амперная характеристика идеального источника напряжения (напряжение этого источника

постоянное при любых значениях тока).
Внутреннее сопротивле-ние источника равно нулю, т.е. котангенс угла наклона графика равен нулю.

Слайд 7

На рис. приведена Вольт-Амперная характеристика (ВАХ) идеального ис-точника тока (ток этого

источника постоянный при любых значениях напряжения).
Внутреннее сопротив-ление источника равно бесконечности, т.е. котангенс угла наклона графика равен беско-нечности.

Слайд 8

Реальные источники напряжения имеют отличное от нуля внутреннее сопротивление.
На схеме

реальный источник изображается как последовательное соединение идеального источника напряжения E и внутреннего сопротивления Rвн или как параллельное соединение идеального источника тока J и внутренней проводимости Gвн.

–

Rвн

Rнагр

–

Gвн

Слайд 9

В реальном источнике напряжения электро-движущую силу Е можно измерить вольтметром на

«холостом ходу»: Е = Uхх, т.е. без сопротивления нагрузки (Rнагр = ∞).
Внутреннее сопротивление Rвн реального источника напряжения можно вычислить по теореме Тевенена:
Rвн = Uхх / Iкз = Е / Iкз, – напряжение холостого хода делится на ток короткого замыкания .
В реальном источнике тока величину J можно измерить как ток короткого замыкания: J = Iкз. Внутренняя проводимость Gвн вычисляется по теореме Тевенена: Gвн = Iкз / Uхх = J / Uхх.

Слайд 10

Схемы реальных источников тока и напряжения являются эквивалентными, т.е., зная параметры

реального источника напряжения (E, Rвн), можно рассчитать параметры реального источника тока:
J = E / Rвн, Gвн = 1 / Rвн,
и, наоборот, по известным параметрам реального источника тока (J, Gвн) можно рассчитать параметры реального источника напряжения:
E = J / Gвн, Rвн = 1 / Gвн

Слайд 11

На рис. приведена Вольт-Амперная характеристика реального источника напря-жения (тока).
Горизонтальная пунктирная

линия соответствует величине идеального источника тока – J,
вертикальная пунктирная линия соответствует величине идеального источника напряжения – Е.

Котангенс угла α наклона графика численно равен внутреннему сопротивлению:
ctg(α) = Rвн = 1 / Gвн = 2 (Ом).

Слайд 12

Обычно для реальных источников напряжения измерение тока короткого замыкания Iкз может

привести к разрушению такого источника напряжения (или срабатыванию схемы защиты от перегрузок).
Поэтому для измерения внутреннего сопротивления Rвн реального источника напряжения сначала измеряют напряжение холостого хода на выходе Е = Uхх,
а потом подключают сопротивление нагрузки Rнагр и измеряют напряжение на сопротивлении нагрузки Uн.
Величина внутреннего сопротивления вычисляется по формуле: Rвн = ΔUн / ΔІн,

Слайд 13

ΔUн – изменение напряжения нагрузки: ΔUн = Uхх – Uн;
ΔІн –

изменение тока нагрузки: ΔІн = Ін – Іхх = Ін;
Ін = Uн / Rнагр.
Поэтому внутреннее сопротивление можно рассчитать по формуле:
Rвн = (Uхх – Uн) * Rнагр / Uн.

Слайд 14

В точке пересечения графиков выполняется второй закон Кирхгофа:
Ін * Rвн +

Ін * Rнагр = Е; Ін * Rнагр = Е – Ін * Rвн
URвн + URнагр = Е; URнагр = Е –URвн .

Из этих графиков понятно, что внутреннее сопротив-ление реального источни-ка напряжения вычисля-ется по формуле:
ctg(α) = Rвн = ΔUн / ΔІн

Слайд 15

ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДОВ
Элементы, которые мы рассматривали до сих пор, относятся

к линейным.
Это значит, что удвоение приложенного напряжения вызывает удвоение отклика (тока).
Этим свойством обладают даже реактивные элементы: конденсаторы и индуктивности в цепях переменного

Слайд 16

Диод представляет собой пассивный нелинейный элемент с двумя выводами.
Внутреннее строение

диода – это полупроводниковый кристалл, состоящий из двух областей с проводимостями p-типа и n-типа

Анод

Катод

В области n-типа за счет внесенных примесей имеется избыточное количество отрицательных зарядов – электронов.
В области p-типа имеется избыточное количество положительных зарядов – «дырок».
Избыточные отрицательные заряды «диффундируют» через p-n-переход в область p-типа, а избыточные дырки переходят в область n-типа.

Слайд 17

За счет действия электростатических сил эти противоположные заряды группируются на границе

p-n-перехода, образуя потенциальный барьер – порог Ферми. Этот потенциальный барьер препятствует дальнейшей диффузии зарядов через границу перехода.
Полупроводниковые диоды изготавливаются из кремния, германия, арсенида галлия и других полупроводниковых материалов.
Для кремниевых диодов потенциальный барьер Ферми равен примерно 0,5 В.
У германиевых диодов этот барьер в 2÷3 раза меньше, чем у кремниевых диодов, а у p-n-переходов на основе арсенида галлия этот потенциальный барьер в 2÷3 раза больше.

Слайд 18

Первый квадрант этого графика соответствует «прямому включению диода», т.е. на анод

подается положительное напряжение, а на катод – отрицательное
При увеличении напряже-ния от нуля до 0,5 Вольт (т.е. до порога Ферми) ток через диод не протекает.

Если приложенное к диоду напряжение превышает порог Ферми (точка а), ток начинает увеличиваться с нелинейной зависимостью.
Выше точки б ток диода резко возрастает с увеличением приложенного напряжения (примерно по линейному закону)

Слайд 19

«Обратная ветвь» Вольт-Амперной характеристики диода соответствует подключению к аноду диода отрицательного

напряжения, а к катоду – положительного.
Ток через диод в 103÷105 раз меньше, чем ток прямой ветви. Поэтому в большинстве случаев обратный ток через диод можно не учитывать.
При значительном увеличении напряжения на p-n-переходе ток через диод резко возрастает. Это сопровождается большим тепловыделением и может привести к тепловому перегреву и разрушению p-n-перехода.
Поэтому максимальное обратное напряжение для диодов определяется допустимым увеличением «обратного тока» через диод.

Слайд 20

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ДИОДОВ
Максимальный прямой ток – Iмакс;
Максимальный импульсный прямой ток –

Iмакс_имп;
Максимальное обратное напряжение – Uобр_макс;
Максимальное импульсное обратное напряжение – Uобр_макс_имп;
Максимальная рассеиваемая мощность – Рмакс;
Статическое сопротивление диода – Rстат;
Дифференциальное сопротивление диода – Rдиф;

Слайд 21

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ДИОДОВ
Диффузионная емкость p-n-перехода при прямом включении – Сдиф;
Барьерная емкость

p-n-перехода при обратном включении – Собр;
Максимальная частота работы диода – Fмакс, или время переключения диода – tперекл.
Зависимости параметров диода от температуры и режимов работы;

Слайд 22

По значению максимальной рабочей частоты диоды подразделяются на группы:
Низкочастотные выпрямительные диоды

– рабо-тают в выпрямителях источников электропитания на частотах от 50 до 1000 Гц;
Импульсные диоды – работают в импульсных устройствах на частотах до нескольких десятков или сотен Мгц;
Сверхвысокочастотные (СВЧ) диоды – работают на частотах до нескольких десятков ГГц.

Слайд 23

Некоторые параметры реальных диодов можно рассчитать по Вольт-Амперной характеристике.
2
Iд
8
10
I, мА
1
2
U,

Uд

–

Е – UR3

На диод подают напряжение от источника питания E через один из резисторов. Последовательно с диодом включен измеритель тока – амперметр, параллельно диоду подключен вольтметр.

Слайд 24

Для второго метода измерения Вольт-Амперной характеристики необходим источник с переменным регулируемым

выходным напряжением Е
На графике видно, что все наклонные линии имеют одинаковый угол наклона (котангенс этого угла равен номиналу резистора R).

Слайд 25

Статическое сопротивление диода числено равно отноше-нию напряжения на диоде к току:

Rстат = Uд / Iд.
Для расчета дифференциаль-ного сопротивления диода необходимо измерить токи и напряжения диода для двух точек. Величина дифферен-циального сопротивления рассчитывается по формуле: Rдиф = ΔU / ΔI,

т.е. равна котангенсу угла наклона секущей, проходящей через точки а и б.

Слайд 26

Барьерная емкость p-n-перехода Собр зависит от приложенного об-ратного напряжения.
Поэтому в

современных телевизорах и радиопри-емниках используют специальные диоды – варикапы как конден-сатор переменной емкости для перестрой-ки колебательных кон-туров по частоте.

Зависимость емкости варикапа от приложенного напряжения

На рис. приведено условное графическое обозначение (УГО) варикапа

ВАРИКАПЫ

Слайд 27

Основные параметры диодов изменяются при изменении температуры p-n-перехода.
Для кремниевых диодов

увеличение температуры на один градус приводит к уменьшению падения на-пряжения на диоде (при прямом включении) на 2 мВ.

+70оС

I, мА

0,4

0,8

U, В

–30оС

На рис приведены ВАХ диода при нормальной температуре +20оС (сплош-ная линия) и для температур на 50оС больше или меньше нормальной температуры
Эта температурная зависи-мость позволяет использовать кремниевые диоды в качес-тве датчиков температуры.

Слайд 28

Ток, протекающий через диод при «обратном включении» также существенно зависит от

температуры.
При увеличении температуры на 10оС обратный ток диода увеличивается примерно в 2 раза.
Поэтому максимальная температура работы p-n-перехода ограничивается допустимыми значениями обратного тока диода, который приводит к дополнительному тепловому разогреву p-n-перехода и может вызвать его разрушение.
Для кремниевых диодов максимальная температура p-n-перехода не должна превышать 120оС÷130оС.

Слайд 29

При расчете электронных схем часто используют простейшую аппрок-симацию ВАХ диода двумя

прямыми линиями
Точка пересечения этих прямых указывает порого-вое напряжение отпира-ния Uотп диода.
Это напряжение немного больше потенциального барьера Ферми.

Слайд 30

В вычислительной тех-нике используются диоды, реализованные на основе перехода «ме-талл-полупроводник».
Полупроводник

может иметь проводимость n-типа или р-тира. Такие диоды называются диодами Шотки.

Особенностью диодов Шотки является отсутствие потенциального барьера на границе перехода металл-полупроводник.

ДИОДЫ ШОТКИ

Слайд 31

Поэтому прямая ветвь ВАХ начинается практически с нулевого напряжения
Падение напряжения

на диоде не превышает 0,1÷0,3 В, что в несколько раз меньше, чем у обычного кремниевого диода с p-n-переходом (пунктирная линия на рис.).
Поэтому при протекании больших токов через диод Шотки рассеиваемая тепловая мощность в несколько раз меньше, чем у аналогичных кремниевых диодов с p-n-переходом.
Неприятной особенностью диодов Шотки является относительно небольшое максимальное обратное напряжение, которое не превышает нескольких десятков Вольт.

Слайд 32

Резкое возрастание тока при увеличении обрат-ного напряжения на p-n-переходе используется как

положительное свойство в специальных диодах с «Зенеровским пробоем».
Этот «восстанавливае-мый пробой» характери-зуется стабильным на-пряжением пробоя, или напряжением стабилиза-ции Uст

СТАБИЛИТРОНЫ

и дифференциальным сопротивлением области стабилизации: Rдиф = ΔU / ΔI.

Слайд 33

ТУННЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ
Особое место среди полу-проводниковых диодов занимает туннельный диод из-за свойственного

ему «падающего участка» ВАХ с «отрицательным диффе-ренциальным сопротивле-нием» (пунктирная линия)

I, мА

Впервые туннельные диоды под названием «кристадин Лосева» начали применять в 30-х годах 20-го столетия.

АНАЛИЗ СХЕМ С НЕЛИНЕЙНЫМИ КОМПОНЕНТАМИ

Содержание

ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В курсе электротехники изучают основные пассивные компоненты

Эти элементы объединяются в схемы совместно с источниками напряжения или источниками

В курсе компьютерной электроники, кроме указанных элементов, изучают нелинейные активные и

На рис приведена Вольт-Амперная характеристика (ВАХ) резистора номиналом 10 Ом (т.е.

На рис. приведена Вольт-Амперная характеристика идеального источника напряжения (напряжение этого источника

На рис. приведена Вольт-Амперная характеристика (ВАХ) идеального ис-точника тока (ток этого

Реальные источники напряжения имеют отличное от нуля внутреннее сопротивление. На схеме

В реальном источнике напряжения электро-движущую силу Е можно измерить вольтметром на

Схемы реальных источников тока и напряжения являются эквивалентными, т.е., зная параметры

На рис. приведена Вольт-Амперная характеристика реального источника напря-жения (тока). Горизонтальная пунктирная

Обычно для реальных источников напряжения измерение тока короткого замыкания Iкз может

ΔUн – изменение напряжения нагрузки: ΔUн = Uхх – Uн;ΔІн –

В точке пересечения графиков выполняется второй закон Кирхгофа:Ін * Rвн +

ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДОВ Элементы, которые мы рассматривали до сих пор, относятся

Диод представляет собой пассивный нелинейный элемент с двумя выводами. Внутреннее строение