Параметри нелінійних елементів

Залежно від умов роботи нелінійного елемента і характеру завдання розрізняють статичний, диференціальний і динамічний опори.

Якщо нелінійний елемент є неінерційним, то він характеризується першими двома з перерахованих параметрів.

Статичний опір рівний відношенню напруги на резистивному елементі до струму який протікає через нього.

 .

Під диференціальним опором розуміється відношення нескінченно малого приросту напруги до відповідного приросту струму

 .

Слід зазначити, що у некерованого нелінійного елемента завжди , а може приймати і негативні значення.

У разі інерційного нелінійного резистора вводиться поняття динамічного опору

визначуваного по динамічній ВАХ. Залежно від швидкості зміни змінної, наприклад струму, може мінятися не тільки величина, але і знак

Методи розрахунку простих нелінійних ЕЛ

При розрахунку нелінійних ЕЛ застосовуються графоаналітичні методи, засновані на застосуванні законів Кірхгофа і використанні заданих ВАХ елементів які використовуються ланцюзі. Перш за все, розглянемо ЕЛ, що складається з двох послідовно сполучених нелінійних резисторів НС1 и НС2 (рис. 3.2). ВАХ резисторів 1 и 2 приведені на рис. 3.3.

До ланцюга підведена напруга U, і вона дорівнює сумі падінь напруг на НС1 і НС2:

U (I) = U₁ (I) + U₂ (I).                           (2.1)

По всьому ланцюгу протікає один і той же струм I, оскільки НС1 і НС2 сполучені між собою послідовно. Для визначення струму в ЭЦ потрібно побудувати результуючу ВАХ ланцюга. Для побудови цієї характеристики слід підсумовувати абсциси кривих 1 і 2 (аг = ав + аб), відповідні одним і тим же значенням струму (рис. 2.3). Далі, задаючись довільним значенням струму можна побудувати ВАХ всього ланцюга (рис. 3.3, крива 3). Потім, користуючись цією ВАХ, можна знайти струм всього ланцюга і напруги на резисторах НС1 и НС2. Для цього відкладемо на осі абсцис відрізок ОР і проведемо з точки р пряму (паралельну осі ординат або перпендикулярну осі абсцис) до перетину з кривою 3. Так одержимо відрізок nр = ко= I. (сила струму всього ланцюга). Для знайденого струму по ВАХ 1 і ВАХ 2 знаходимо напруги U₁ і U₂:

U₁ = кd; U₂ = кс.

При паралельному з'єднанні двох НЕ (рис. 2.4) струм в нерозгалуженій частині ЭЛ рівний сумі струмів окремих гілок.

Тому при побудові результуючої ВАХ всього ланцюга слід підсумовувати ординати графіків 1 і 2 (рис. 3.5), відповідні одним і тим же значенням напруги, оскільки до цього НЕ прикладена одна і та ж напруга, яка дорівнює напрузі зовнішньої мережі, тобто джерела живлення.

Наприклад, для довільного значення напруги U = oа знаходимо ординату аг крапки для результуючої кривої 3:

аг = ав + аб.

Далі, задаючись довільним значенням напруги, можна побудувати ВАХ всього ланцюга, рис. 2.5, (кривая 3). Потім, користуючись ВАХ, можна при будь-якому значенні прикладеної напруги U (відрізок ор) знайти величину загального струму I (рn = ок). Це напруга U також визначає значення струмів I₁ і I₂ у окремих гілках.

У разі змішаного з'єднання НЕ (рис. 3.5).

У разі змішаного з'єднання НЭ (рис. 3.6), розрахунок ланцюга проводять в наступному порядку:

1. Паралельно з’єднані НЕ (НС1 і НС2) замінюють одним еквівалентним нелінійним опором НС з ВАХ 4 (рис. 3.7), яка одержана шляхом підсумовування кривих 1 і 2 по напрузі, тобто так само, як і у разі паралельних з'єднань двох НЕ.

2. Для отримання послідовного ланцюга будують результуючу ВАХ 5 шляхом підсумовування кривих 3 і 4 по струму, тобто так само, як і при послідовному з'єднанні двох нелінійних НЕ.

3. По результуючій ВАХ 5 визначають для заданого значення загальної напруги величину струму I₃ у нерозгалуженій частині ланцюга.

4. Струм I₃ визначає напругу U₃ і U_аб, а напруга U_аб, дозволяє по графіках 1 і 2 визначити струми I₁ і I₂ у гілках НС1 і НС2.

 

2.4 Порядок виконання роботи

 

1. Зібрати у програмі Electronics Workbench схему для дослідження режимів роботи ланцюга, що містить нелінійні елементи (відповідно до рис. 2.1). Нелінійні елементи що входять в досліджуваний ланцюг і величину резистора R1 вибираються згідно варіантам таблиці 2.1. номер варіанту для конкретного студента визначає викладач який проводить лабораторні роботи.

Таблиця 3.1 – параметри досліджуваного ланцюга

№ варианта	Номера нелинейных элементов		Номинал резистора R1, Ом
	NE1	NE2
1	NE1	NE4	150
2	NE2	NE5	5
3	NE3	NE5	100
4	NE9	NE7	100
5	NE10	NE8	100
6	NE1	NE8	150
7	NE2	NE7	150
8	NE3	NE6	150
9	NE9	NE5	150
10	NE10	NE4	15

 

2. у окремому вікні зібрати схему для дослідження ВАХ нелінійних елементів тих, що входять в досліджуваний ланцюг (рис 3.8). Встановити напругу джерела Е1 рівним 0,1В.

3. Включити схему, за допомогою перемикача, або натиснувши на клавіатурі Ctrl+G. Дочекатися стабільних показань вимірювальних приладів і записати показання вимірювальних приладів у таблицю 3.2. Вимкнути схему, натиснувши на клавіатурі Ctrl+Т.

таблиця 3.2 – результати вимірів окремих точок ВАХ НЕ

Напряжение источника Е1, В	Нелинейный элемент NE1		Нелинейный элемент NE2
	Показания вольтметра V1, В	Показания амперметра A1, А	Показания вольтметра V1, В	Показания амперметра A1, А
0,1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

 

4. змінюючи напругу джерела Е1 ступенями через 1В, до величини 10В, зняти крапки ВАХ використовуваних НЕ. Результати вимірювань занести в таблицю 3.2.

5. Побудувати ВАХ використовуваних НЕ на одному графіку. На тому ж графіку побудувати ВАХ резистора R1.

6. Розрахувати (теоретично) і побудувати загальну ВАХ досліджуваного ланцюга на тому ж графіку де будувалися ВАХ окремих елементів. Дані розрахунків занести в таблицю 2.3.

7. повернутися у вікно програми Electronics Workbench де построєна досліджувана схема. Встановити напругу джерела Е1 рівним 0,1В.

8. Включити схему за допомогою перемикача, або натиснувши на клавіатурі Ctrl+G. Дочекатися стабільних показань вимірювальних приладів і записати показання вимірювальних приладів у таблицю 3.3. Вимкнути схему, натиснувши на клавіатурі Ctrl+Ті.

9. Послідовно збільшувати величину напруги джерела Е1 до 10В, шагом 1В, фіксуючи при цьому показання вимірювальних приладів і заносячи їх в таблицю 3.3.

10. за наслідками вимірювань побудувати ВАХ досліджуваного ланцюга і порівняти її з розрахованою.

 

Таблиця 3.3 – Результати досліджень робочого режиму

Напруга джерела Е1, В	Розрахункові дані				Експериментальні дані
	Свідчення вольтметра V1, В	Свідчення амперметра A1, А	Свідчення амперметра A2, А	Свідчення амперметра A3, А	Свідчення вольтметра V1, В	Свідчення амперметра A1, А	Свідчення амперметра A2, А	Свідчення амперметра A2, А
0,1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

 

2.5 Зміст звіту

 

До звіту заносять:

- тему та мету роботи;

- принципову схему електричного кола, яке аналізується;

- результати вимірювання струмів та напруг на окремих ділянках досліджуваного кола;

- результати розрахунку (з урахуваням похибок) ВАХ нелінійних елементів і ланцюга в цілому;

- графіки ВАХ нелінійних елементів і ланцюга в цілому:

- висновки по роботі.

Контрольні питання

 

1. Які елементи і ланцюги називаються нелінійними?

2. чи відноситься резистор до нелінійних елементів?

3. Нарисуйте вигляд ВАХ напівпровідникового діода.

4. Нарисуйте вигляд ВАХ лампи розжарювання.

5. Намалюйте вигляд ВАХ напівпровідникового стабілітрона.

6. Які етапи необхідно виконати, щоб графічно розрахувати нелінійний ланцюг із змішаним з'єднанням НЕ?

Лабораторна робота №4

ДОСЛІДЖЕННЯ ЛАНЦЮГІВ, ЩО МІСТЯТЬ несиметричні нелінійні ЕЛЕМЕНТИ

3.1. Мета роботи:

 

Дослідження ланцюгів, що містять несиметричні нелінійні елементи, у колах з синусоїдальними сигналами. Експериментальне підтвердження здатності нелінійних елементів випрямляти змінний електричний струм. Проведення порівняльного аналізу різних схем випрямлячів.

 

3.2 Зміст роботи:

 

- провести дослідження характеристик різних схем випрямлячів, відповідно до порядку виконання роботи;

- побудувати необхідні осцилограми струмів і напруг, провести розрахунок вказаних величин;

- зробити висновки за результатами роботи.

 

3.3 Теоретичні відомості

 

Аналіз нелінійних ланцюгів при періодичних діях проводиться з урахуванням динамічних параметрів нелінійних елементів. У випадку якщо при цьому ставиться завдання визначити форму або гармонійний склад реакції ланцюга, то використовуються характеристики елементів для миттєвих значень.

При порівняно невисоких частотах змінних струмів і напруг динамічні характеристики нелінійних елементів практично співпадають з їх статичними характеристиками. Для випрямляння змінного електричного струму використовуються нелінійні без інерційні елементи з різко вираженою несиметричною вольт-амперною характеристикою (ВАХ) щодо початку координат. Такі елементи, які проводять струм тільки в одному напрямі, називаються електричними вентилями. До вентилів відносяться напівпровідникові і вакуумні діоди, тиристори, газонаповнені прилади і т.д. Вентилі діляться на керовані (тиристори, тиратрони) і некеровані (діоди, діністори).

На рис 4.1 представлена ВАХ діода i(U) при дії на нього гармонійної напруги U(ωt)

На рис 4.1 видна характерна реакція нелінійного елементу (діода) на вхідну дію. Струм, що протікає в ланцюзі нелінійного елементу (діода) виявляється несинусоїдальним, причому його спектр містить постійну складову, основну (з частотою ωt), а також вищі гармоніки.

Явно видно (рис 4.1) що амплітуда позитивної півхвилі струму в ланцюзі діода значно більше, ніж негативна. Різниця цих амплітуд тим більше, чим більше амплітуда сигналу джерела напруги живлячого ланцюг діода. Часто відмінність величин амплітуд струмів позитивної і негативної півхвиль тих, що протікають через діод настільки велика, що струмом негативної півхвилі можна нехтувати. В цьому випадку ВАХ реального діода можна замінити характеристикою реального вентиля (показана пунктиром на рис 4.1). Опір ідеального вентиля для позитивній півхвилі напруги, що живить ланцюг дорівнює нулю, а для негативної півхвилі напруги - нескінченно велик.

Пристрої з електричними вентилями, призначені для перетворення змінної напруги в постійне, називаються випрямлячами. Про якість судять по величині коефіцієнта пульсацій К_П. Коефіцієнт пульсацій є відношення величини діючого значення змінної складової  на виході випрямляча до його постійної складової.

                                      (4.1)

Чим менша величина коефіцієнта пульсацій, тим краще якість випрямляння.

Всі випрямляючі схеми можна розділити за основними ознаками:

1. по числу фаз первинної обмотки трансформатора - на однофазні і 3^х - фазні;

2. по числу імпульсів струму у вторинній обмотці трансформатора за період - на одне і двонапівперіодні;

3. некеровані і керовані.

Для спрощення аналізу випрямляча заздалегідь розглядатимемо його роботу на чисто активне навантаження, вважаючи трансформатор і вентилі ідеальними. Це означає, що втрати в трансформаторі відсутні, а вентилі мають ідеальну вольт-амперну характеристику. Для правильного вибору трансформатора і вентилів необхідне знання параметрів, якими характеризується робота кожного з елементів випрямної схеми. Заданими є: середні значення випрямленої (вихідної) напруги U₀ і струму I₀ та необхідний коефіцієнт пульсацій К_п.

 

Лабораторна робота № 5

Исследование полупроводниковых диодов

5.1 Мета роботи:

 

вивчити основні властивості, характеристики і параметри напівпровідникових діодів, експериментально досліджувати їх вольт-амперні характеристики (ВАХ).

 

5.2 Зміст роботи

 

Для заданого електричного кола (рис. 5.1):

- встановити задані параметри джерела живлення електричного кола;

- провести необхідні вимірювання величин струмів та напруги;

- оцінити похибки вимірювань та зробити висновки щодо режимів роботи ланцюга. При оцінці похибок вимірювань вважати межею вимірювань Iмах = 15мА (для амперметрів), Vмах = 20 В (для вольтметрів); а за клас точності прийняти для всіх приладів δ = 0,1.

 

5.3 Теоретичні відомості

 

Основним елементом більшості напівпровідникових приладів є електронно-дірковий перехід (р-n перехід), що є перехідним шаром між двома областями напівпровідника, одна з яких має електронну електропровідність, а інша - діркову.

Розглянемо докладніше процес утворення p-n переходу. Рівноважним називають такий стан переходу, коли відсутня зовнішня напруга. Нагадаємо, що в р- області є два види основних носіїв заряду: нерухомі негативно заряджені іони атомів акцепторної домішки і вільні позитивно заряджені дірки; а в n-області є також два види основних носіїв заряду: нерухомі позитивно заряджені іони атомів акцепторної домішки і вільні негативно заряджені електрони.

До зіткнення p і n областей електрони дірки і іони домішок розподілені рівномірно. При контакті на межі p і n областей виникає градієнт концентрації вільних носіїв заряду і дифузія. Під дією дифузії електрони з n-області переходить в p-область і рекомбінують там з дірками. Дірки з р-області переходять в n-область і рекомбінують там з електронами. В результаті такого руху вільних носіїв заряду в прикордонній області їх концентрація убуває майже до нуля і в теж час в р-області утворюється негативний просторовий заряд іонів акцепторної домішки, а в n-області позитивний просторовий заряд іонів донорної домішки. Між цими зарядами виникає контактна різниця потенціалів φ_к і електричне поле Е_к , яке перешкоджає дифузії вільних носіїв заряду з глибини р- і n-областей через р-n-перехід. Таким чином область, об'єднана вільними носіями заряду з своїм електричним полем і називається р-n-переходом.

P-n-перехід характеризується двома основними параметрами:

1. Висота потенційного бар'єру. Вона рівна контактній різниці потенціалів φ_к . Це різниця потенціалів в переході, обумовлена градієнтом концентрації носіїв заряду. Це енергія, якою повинен володіти вільний заряд, щоб подолати потенційний бар'єр:

де k – постійна Больцмана; е – заряд електрона; Т – температура; N_а і N_Д – концентрації акцепторів і донорів в дірковій і електронній областях відповідно; р_р і р_n – концентрації дірок в р- і n-областях відповідно; n_i – власна концентрація носіїв заряду в нелегованому напівпровіднику, _т=кТ/е - температурний потенціал. При температурі Т=27⁰С _т=0.025В, для германієвого переходу _к=0,4В, для кремнієвого переходу _к=0,8В.

2. Ширина p-n-переходу (рис.5.2) – це прикордонна область, збіднена носіями заряду, яка розташовується в p і n областях: l_p-n = l_p + l_n:

  , звідси ,

де ε – відносна діелектрична проникність матеріалу напівпровідника; ε₀ — діелектрична постійна вільного простору.

Товщина електронно-діркових переходів має порядок (0,1-10)мкм. Якщо , то  і p-n-перехід називається симетричним, якщо , то  і p-n-перехід називається несиметричним, причому він в основному розташовується у області напівпровідника з меншою концентрацією домішки.

У рівноважному стані (без зовнішньої напруги) через р-n перехід рухаються два стрічні потоки зарядів (протікають два струми). Це дрейфовий струм не основних носіїв заряду і дифузійний струм, який пов'язаний з основними носіями заряду. Оскільки зовнішня напруга відсутня, і струму в зовнішньому ланцюзі немає, то дрейфовий струм, і дифузійний струм взаємно врівноважуються і результуючий струм рівний нулю

I_др + I_диф = 0.

Це співвідношення називають умову динамічної рівноваги процесів дифузії і дрейфу в ізольованому (рівноважному) p-n-переході.

Поверхня, по якій контактують p і n області називається металургійною межею. Реально вона має кінцеву товщину - δ_м . Якщо δ_м<< l_p-n , то p-n-перехід називають різким. Якщо δ_м>>l_p-n , тоб p-n-перехід називають плавним.

 

---

Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 167; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!