1.Определение рабочих точек нелинейных резистивных элементов.

Электрически управляемые НРЭ могут быть охарактеризованы различными семействами ВАХ.

Выходные ВАХ отображают зависимость между выходным током и выходным напряжением при различных значениях входного тока.

I =1,4mA Ukэ=0B

I =1,2mA Uкэ=5B

4 8

Uкэ=8B

-1 0 1

Входные ВАХ - зависимость между входным током и входным напряжением при различных значениях выходного напряжения.

Проходные ВАХ – зависимость выходного тока от входного тока или напряжения при различных значениях выходного напряжения.

Вид ВАХ НРЭ существенным образом зависит от схемы включения элемента, т.е. от того, какой из электродов является общим для входной и выходной сторон.

Задача анализа нелинейной цепи постоянного тока обычно сводится к определению рабочих точек НРЭ, т.е. к нахождению токов и напряжений на зажимах этих элементов.

i i1(U1) i2(U2)

i2(U3)

I_

U1_ U2_ U3_ u

В простейшем случае, когда цепь содержит только два последовательно включенных сопротивления, а ЭДС независимого источника имеет одно заданное значение Е, для определения рабочих точек сопротивлений можно воспользоваться более простым приемом, позволяющим обойтись без построения суммарной ВАХ сопротивлений. С этой целью на оси напряжений откладывают отрезок, соответствующий заданному значению ЭДС источника напряжения, и из конца этого отрезка строят зеркальное отображение ВАХ одного из элементов, например сопротивление R2 [кривая = i2(E_-U)].

I_

i

U1_ R1

i2(E_-U) i1(U1)

E_

U2_ R2

I_

U1_

U2_

U

В точке пересечения и выполняется условие электрического равновесия цепи.

Сопротивление, ВАХ которого и представляется в виде,обычно рассматривается как сопротивление нагрузки НЭ,а кривая из нагрузочной кривой.

R1 i

I_

E_/R2 i1(U)

U1_

U2_ R2 I_

E_

U1_ U

U2_ E_

Задача определения рабочей точки нелинейной цепи с последовательным соединением двух сопротивлений особенно упрощается, если одно из сопротивлений, например R2, является линейным. В этом случае для определения рабочей точки нелинейного сопротивления R1 необходимо найти точку пересечения ВАХ этого сопротивления с нагрузочной прямой , проведенной через точку на оси напряжений и точку на оси токов.

Нелинейные электрические цепи переменного тока

Нелинейными электрическими цепями переменного тока называют электрические цепи переменного тока, в состав которых входят одно или несколько нелинейных сопротивлений.

Так как тепловые процессы (процессы нагрева и остывания) являются процессами инерционными, то сопротивления, нелинейность вольтамперных характеристик которых в основном обусловлена изменением температуры в результате нагрева протекающим через сопротивления током, принято называть инерционными.

Сопротивления, нелинейность вольтамперных характеристик которых обусловлена иными (не тепловыми) процессами, принято называть безынерционными.

Е

і

сли нелинейное сопротивление присоединить к генератору синусоидального напряжения, то протекающий через сопротивление ток будет иметь несинусоидальную форму и поэтому нелинейное сопротивление будет являться генератором высших гармоний тока.

φ

і

ωt

ωt

Аналогично, если через сопротивление пропустить синусоидальный ток, то напряжение на нем будет иметь несинусоидальную форму.

Основные преобразования, осуществляемые с помощью нелинейных электрических цепей

1.Преобразование переменного тока в постоянный (выпрямители)

2.Преобразование постоянного тока в переменный (автогенераторы и инверторы)

3.Умножение частоты

4.Деление частоты

5.Стабилизировать напряжение или ток, т.е. получить на выходе четырехполюсника напряжение или ток, почти не изменяющийся по величине при значительном изменении величины входного напряжения (стабилизаторы)

6.Осуществить триггерный эффект, т.е. эффект резного изменения выходной величины при незначительном изменении входной величины.

7.Произвести модуляцию.

8.Осуществить детектирование (детекторы).

9.Преобразование формы входного напряжения

10.Усиление напряжения (или тона).

11.Усиление мощности.

Физические явления, наблюдаемые

в нелинейных цепях

1.Возникновение интенсивных колебаний в цепи на высшей гармонике при отсутствии этой гармоники во входном напряжении.

2. Возникновение субгармонических колебаний. Под субгармоникой понимают гармонику, частота которой в целое число раз меньше частоты источника э.д.с. и т.д. ( -частота источника э.д.с.)

3.Возникновение колебаний в цепи на гармонике с частотой (), где m и n-целые числа.

4. Возникновение автомодуляции.

Автомодуляция представляет собой процесс периодического или почти периодического изменения амплитуд токов и напряжений в нелинейных электрических цепях без воздействия на них внешнего модулирующего фактора, т. е. без воздействия на них низкочастотного сигнала.

Полупроводниковые триоды

(транзисторы)

В настоящее время большинство полупроводниковых триодов выполняют из германия и кремния.

Область полупроводникового триода, образованная германием, в который добавляют примеси, легко отдающие электроны (фосфор, сурьма, мышьяк), называют n-областью (negativ). Название обусловлено тем, что электропроводность n-области создается в основном носителями отрицательных зарядов.

В результате добавления к германию ничтожного количества примесей, имеющих на внешней орбите на один электрон меньше, чем германий (бор, алюминий, галлий, индий), образуется избыток носителей положительных зарядов. Область триода с избытком носителей положительных зарядов называют p-областью (positive), электропроводность ее обусловлена в основном носителями положительных зарядов.

Носителями положительных зарядов в полупроводниковых–являются дырки. Дырками называют незаполненные валентные связи атомов. Дырки способны перемещаться по кристаллической решетке так, как будто они являются положительными зарядами.

Полупроводниковый триод типа p-n-p представляет собой кристалл германия, в середине которого имеется весьма тонкая n-прослойка (толщиной 0,02-0,025мм).

p n p p – n - переходы

К

Б

Э

Переходный слой между “p” и “n” областями обладает односторонней проводимостью. Ток через этот слой может течь практически только в том случае, если потенциал p-области выше потенциала n-области.

Триоды делятся на плоскостные и точечные. У плоскостных триодов p и n-области переходят одна в другую через относительно большую площадь. У точечных триодов переход p-области в n-область происходит в месте точечного контакта этих областей.

Триод имеет три вывода. Первый вывод делают от первой p-области и называют коллектором (К), второй вывод - от второй p-области и называют эмиттером (Э), третий вывод- от n- области и называют базой (Б).

Э

Б

К

Различают три основных способа включения триодов в схему, в зависимости от того, какой из электродов триода является общим для управляющей и управляемой цепей.

Е_у

Е_у

Е_у

Е_н

Е_н

Е_н

R_н

R_н

R_н

i_б

i_к

i_э

ОК ОЭ ОБ

-источник ЭДС в цепи нагрузки ;-источник ЭДС в цепи управления. Для всех схем, в которых используют триоды типа p-n-p, полярность источников ЭДС должна быть такой, чтобы коллектор имел отрицательный потенциал по отношению к базе, а эмиттер-положительный потенциал по отношению к базе. Ток эмиттера =

В плоскостных триодах α = 0.95 – 0.98 плоскостных триодах ( )000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 В точечных - может быть >1. По _____Полупроводниковый триод может служить усилителем тока тогда, когда приращение тока управляемой цепи во много раз больше приращения тока управляемой цепи. Из трех схем в качестве усилителя тока могут быть использованы две: схемы с общим эмиттером и с ОК.

В обоих током управление является ток базы . Током управляемой цепи в схеме с ОЭ является , а в схеме с ОК- .

Т.к. и в тоже время, то

Коэффициент α зависит от режима работы триода, т.е. от величины токов триода, и несколько изменяется при переходе от одного режима работы к другому.

Однако при нахождении связи между малыми приращениями токов можно в первом приближении принять α = const.

Коэффициент усиления по току ; равен отношению приращению тока на выходе к приращению тока на входе.

ОЭ

ОК

Т.к. α = 0.95 – 0.98 , то 19 – 50.

При работе VT в качестве усилителя напряжения важно, чтобы приращение напряжения на нагрузке было больше приращения напряжения на входе.

Коэффициент усиления по напряжению

При использовании VT в качестве усилителя напряжения его включают либо по схеме с ОБ, либо с ОЭ.

Входное сопротивление VT равно отношению на выходных зажимах VT и приращению входного тока.

ОБ =.

на 2 порядка >

ОЭ

обычно в несколько раз больше . При работе VT в качестве усилителя напряжения сопротивление нагрузки берут обычно того же порядка, что и выходное сопротивление VT

ОБ

Если учесть, что α близко 1 , то и составляет величину порядка нескольких сотен.

ОЭ

Если учесть, что , а отношение составляет величину порядка нескольких единиц , то составляет величину порядка от нескольких десятков до нескольких сотен. Усиление по мощности достигается во всех схемах включения.

В схеме с ОБ

Наибольшее усиление по мощности достигается в схеме с общим эмиттером ( )

Методы анализа нелинейных электрических цепей переменного тока

Все методы анализа нелинейных цепей можно подразделить на 2 группы: аналитическую и графическую. Аналитические методы в отличие от графических дают возможность проводить анализ в общем виде, а не только для частных значений параметров. Недостатком аналитических методов является то, что приходится выражать аналитически характеристики нелинейного сопротивления, а это всегда связано с некоторой погрешностью.