2.1. Классификация нелинейных элементов
Свойства нелинейных двухполюсников обычно описывают их статическими характеристиками. Общепринятой характеристикой нелинейного резистивного двухполюсника является его вольт-амперная характеристика (ВАХ).
Статическая ВАХ – это зависимость тока, протекающего через нелинейный резистивный элемент, от приложенного к нему напряжения в установившемся режиме (или наоборот – зависимость падения напряжения на элементе от протекающего через него тока).
Статическая ВАХ определяет свойства элемента при переменном напряжении (токе) низкой частоты, значение которой не превышает предельно допустимого значения.
В зависимости от числа внешних выводов различают нелинейные двухполюсные элементы (резисторы с нелинейным сопротивлением, электровакуумные и полупроводниковые диоды) и нелинейные многополюсные элементы (транзисторы и тиристоры различных типов, электровакуумные триоды и пентоды).
ВАХ нелинейного двухполюсного элемента может быть симметричной (рис.15.2,а) или несимметричной (рис.15.2,б,в) относительно начала координат.

Рис.15.2 – Статические вольт-амперные характеристики различных
резистивных элеметов
Для симметричной ВАХ справедливо условие I(U) = -I(-U), а для несимметричной I(U) -I(-U).
Очевидно, что режим работы нелинейной цепи не изменится, если выводы нелинейного резистивного элемента с симметричной характеристикой поменять местами.
Различают нелинейные резистивные элементы с монотонной (рис.15.2,а) и немонотонной (рис.15.2,б,в) ВАХ.
У элементов с монотонной ВАХ увеличение приложенного к элементу напряжения приводит к росту (или хотя бы не уменьшению) тока и, наоборот, увеличение тока приводит к возрастанию напряжения на элементе.
Напряжение и ток на зажимах такого элемента связаны между собой однозначной зависимостью, причем производные ВАХ во всех ее токах принимают только неотрицательные значения, т.е.
,
.
ВАХ нелинейного элемента является немонотонной, если хотя бы в ограниченном диапазоне изменения токов и напряжений рост напряжения на зажимах элемента приводит к уменьшению тока или, наоборот, увеличение тока приводит к снижению напряжения.
Ток и напряжение нелинейного резистивного элемента с немонотонной ВАХ не связаны между собой взаимно однозначной зависимостью (рис.15.2,б,в).
Многообразие всех ВАХ нелинейных двухполюсников можно свести к шести основным типам (рис.15.3,а-е).

Рис.15.3
ВАХ могут иметь зон нечувствительности, т.е. «ступеньку» по напряжению или по току (рис.15.4,а,б)

Рис.15.4
Вид ВАХ нелинейного резистивного двухполюсника может зависеть от некоторой величины, не связанной непосредственно с токами или напряжениями цепи, в которую включен данный элемент, в частности от температуры, освещенности, давления и др. Такие элементы относятся к неэлектрически управляемым двухполюсникам.
Так как каждому значению управляющей величины соответствует своя кривая, характеризующая зависимость между током и напряжением на зажимах неэлектрически управляемого резистивного двухполюсника, также двухполюсники характеризуются не одной ВАХ, а семейством ВАХ (рис.15.5).

Рис.15.5 – Семейство ВАХ термистора.
Важнейший класс нелинейных резистивных элементов составляют электрически управлямые элементы (транзисторы различных типов, вакуумные и газоразрядные трехэлектродные и многоэлектродные приборы. Элементы этого типа содержат два основных электрода:
- катод и анод у электронных ламп;
- эмиттер и коллектор у биполярных транзисторов;
- сток и исток у полевых транзисторов.
Сопротивление между основными электродами изменяется под действием тока или напряжения одного или нескольких управляющих электродов:
- сетки у электронных ламп;
- базы у биполярных транзисторов;
- затвора или подложки у полевых транзисторов.
В частности, ток i нелинейного резистивного трехполюсника (рис.15.6), имеющего два основных и один управляющий электрод, является функцией напряжения между основными электродами u и тока управления iупр или напряжения uупр управляющего электрода:
|
|
i = i(u, iупр) или i = i(u, uупр). |
Рис.15.5 – Электрически управляемый нелинейный трехполюсник
Как видно из рис.15.5, электрически управляемый нелинейный резистивный трехполюсник имеет две стороны: входную (управляющую) и выходную (управляемую), причем один из выводов трехполюсника является общим для обеих сторон.
Электрически управляемые нелинейные резистивные элементы могут быть охарактеризованы различными семействами ВАХ.
Выходные ВАХ отображают зависимость между выходным током i и выходным напряжением u при различных значениях входного тока iупр или напряжения uупр.
Типовые выходные ВАХЪ биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером (рис.15.6,а) представлены на рис.15.6,б.

Рис.15.6
Полная классификация нелинейных элементов представлена в таблице 15.1, а примеры нелинейных резистивных элементов с их условными графическими обозначениями и вольт-амперными характеристиками приведены в таблице 15.2.
|
Резистивные |
1. По виду параметра |
Признаки классификации |
Табл.29.1 – Классификация нелинейных элементов |
|
Индуктивные | |||
|
Емкостные | |||
|
Двухполюсные |
2. По количес-тву внешних выводов | ||
|
Многополюсные | |||
|
Симметричные |
3. По наличию симмет-рии ВАХ | ||
|
Несимметричные | |||
|
Монотонные |
4. По наличию монотон-ности ВАХ | ||
|
Немонотонные | |||
|
С насыщением по току |
5. По типу ВАХ | ||
|
С насыщением по напряжению | |||
|
S-типа (неоднозначность по току) | |||
|
N-типа (неоднозначность по напряжению) | |||
|
-типа | |||
|
С зоной нечувствительности по току |
6. По наличию зоны нечувствитель-ности | ||
|
С зоной нечувствительности по напряжению | |||
|
Без зоны нечувствительности | |||
|
Неэлектрически управляемые |
7. По способу управления | ||
|
Электрически управляемые |
Таблица 15.1 – Резистивные НЭ
|
Элемент, графическое обозначение |
Вид ВАХ |
Характеристика ВАХ |
|
1 |
2 |
3 |
|
Двухполюсные резистивные элементы | ||
|
Варистор
|
|
Симметричная I(U) = -I(-U), монотонная
|
|
Электровакуумный диод
|
|
Несимметричная, монотонная ВАХ (dI/dU) > 0
|
|
1 |
2 |
3 |
|
Неоновая лампа
|
|
ВАХ с падающим участком (dI/dU) < 0, несимметричная, немонотонная, S-типа
|
|
Полупровод-никовый диод
|
|
ВАХ несимметричная, монотонная
|
|
Стабилитрон
|
|
ВАХ несимметричная, монотонная
|
|
Тоннельный диод
|
|
ВАХ с падающим участком, несимметричная, немонотонная, N-типа
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
|
Неэлектрически управляемые двухполюсные резистивные элементы | ||
|
Терморезистор
|
|
ВАХ с падающим участком, сопротивление зависит от температуры
|
|
Фотодиод
|
|
ВАХ несимметрична, монотонна, с насыщением по току. Сопротивление зависит от светового потока |
|
Электрически управляемые трехполюсные резистивные элементы | ||
|
Биполярный транзистор типа n-p-n
|
Выходные ВАХ |
ВАХ несимметрична, монотонна, с насыщением по току. Выходной ток зависит от напряжения и от входного тока: Iк = I(IБ, Uкэ)
|
|
Тиристор
|
|
ВАХ несимметрична, немонотонна, S-типа, зависит от напряжения на управляющем электроде |
2.2. СТАТИЧЕСКИЕ И ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
Для резистивных нелинейных элементов важным параметром является их сопротивление, которое в отличие от линейных резисторов не является постоянным, а зависит от того, в какой точке ВАХ оно определяется. Различают два вида сопротивлений: статическое и дифференциальное (динамическое).
Статическое сопротивление характеризует рабочую точку нелинейного элемента по постоянному току, а дифференциальное – работу нелинейного элемента в окрестности этой рабочей точки.
Пусть резистивный нелинейный элемент имеет вольт-амперную характеристику, указанную на рисунке 15.8.

Рис.15.8
Статическое сопротивление – это соотношение напряжения к току в данной точке ВАХ.
(15.1)
где
-
масштабный коэффициент;
mu, mi – масштабы по напряжению и току;
- угол наклона секущей, проведенной через начало координат и рабочую точку, к оси токов.
Статическое сопротивление – это сопротивление нелинейного элемента постоянному току.
Очевидно статическая проводимость есть величина, обратная статическому сопротивлению
(15.2)
Дифференциальное сопротивление – это предел отношения приращения напряжения к соответствующему приращению тока при небольшом смещении рабочей точки на ВАХ под воздействием переменного напряжения малой амплитуды:
![]()
Дифференциальное сопротивление – это сопротивление нелинейного элемента переменному току малой амплитуды.





















