1.3. Нелинейные элементы


24

Лампа накаливания

Лампа накаливания — элемент резистивного типа, преобразующий электроэнергию в световую энергию. Она характеризуется двумя параметрами: максимальной мощностью Рmах и максимальным напряжением Vmax. Максимальная мощность может иметь величину в диапазоне от мВт до кВт, максимальное напряжение — в диапазоне от мВ до кВ. При напряжении на лампе большем Vmax (в этот момент мощность, выделяющаяся в лампе, превышает Рmах) она перегорает. При этом изменяется изображение лампы (обрывается нить) и проводимость ее становится равной нулю.

25

Предохранитель

Предохранитель разрывает цепь, если ток в ней превышает максимальный ток

Imax. Значение Imax может иметь величину в диапазоне от мА до кА. В схемах, где используются источники переменного тока, Imax является максимальным мгновенным, а не действующим значением тока

1

Диод

Ток через диод может протекать только в одном направлении — от анода А к катоду К. Состояние диода (проводящее или непроводящее) определяется полярностью приложенного к диоду напряжения.

1

Стабилитрон

Для стабилитрона (диода Зенера) рабочим является отрицательное напряжение. Обычно этот элемент используют для стабилизации напряжения.

1

Светоизлучающий диод (светодиод)

Светоизлучающий диод излучает видимый свет, когда проходящий через него ток превышает пороговую величину.

1

Мостовой выпрямитель

Мостовой выпрямитель предназначен для выпрямления переменного напряжения. При подаче на выпрямитель синусоидального напряжения среднее значение выпрямленного напряжения Vdc можно приблизительно вычислить по формуле:

Vdc = 0.636 * (Vp — 1.4),

где Vp — амплитуда входного синусоидального напряжения.

1

Диод Шоттки

В отличие от простого диода, диод Шоттки находится в отключенном состоянии до тех пор, пока напряжение на нем не превысит фиксированного уровня порогового напряжения.

1

Тиристор (управляемый вентиль)

У тиристора помимо анодного и катодного выводов имеется дополнительный вывод управляющего электрода. Он позволяет управлять моментом перехода при

бора в проводящее состояние. Вентиль отпирается, когда ток управляющего электрода превысит пороговое значение, а к анодному выводу не будет приложено положительное смещение. Тиристор остается в открытом состоянии, пока к анодному выводу не будет приложено отрицательное напряжение.

1

Симистор (двунаправленный управляемый вентиль)

Симистор способен проводить ток в двух направлениях. Он запирается при изменении полярности протекающего через него тока и отпирается при подаче следующего управляющего импульса.

1

Динистор

Динистор — управляемый анодным напряжением двунаправленный переключатель Динистор не проводит ток в обоих направлениях до тех пор, пока напряжение на нем не превысит напряжения переключения, тогда динистор переходит в проводящее состояние и его сопротивление становится равным нулю.

1

Операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) — усилитель, предназначенный для работы с обратной связью. Он обычно имеет очень высокий коэффициент усиления по напряжению, высокое входное и низкое выходное сопротивление. Вход "+" является неинвертирующим, вход "-" — инвертирующим. Модель операционного усилителя позволяет задавать параметры: коэффициент усиления, напряжение смещения, входные токи, входное и выходное сопротивления.

Входные и выходные сигналы ОУ должны быть заданы относительно земли.

1

Операционный усилитель с пятью выводами

ОУ с пятью выводами имеет два дополнительных вывода (положительный и отрицательный) для подключения питания.

Для моделирования этого усилителя используется модель Буля-Коха-Педерсона. В ней учитываются эффекты второго порядка, ограничение выходного напряжения и тока.

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы являются усилительными устройствами, управляемыми током. Они бывают двух типов: P-N-P и N-P-N.

Буквы означают тип проводимости полупроводникового материала, из которого изготовлен транзистор. В транзисторах обоих типов стрелкой отмечается эмиттер, направление стрелки указывает направление протекания тока.

1

N-P-N транзистор имеет две n-области (коллектор С и эмиттер Е) и одну р-область (базу В).

1

P-N-P транзистор имеет две р-области (коллектор С и эмиттер Е) и одну n-область  (базу В).

Полевые транзисторы (FET)

Полевые транзисторы управляются напряжением на затворе, то есть ток, протекающий через транзистор, зависит от напряжения на затворе.



Полевой транзистор включает в себя протяженную область полупроводника n-типа или р-типа, называемую каналом. Канал оканчивается двумя электродами, которые называются истоком и стоком. Кроме канала n-или р-типа, полевой транзистор включает в себя область с противоположным каналу типом проводимости. Электрод, соединенный с этой областью, называют затвором. Для полевых транзисторов в Electronics Workbench выделено специальное поле компонентов FET. В программе имеются модели полевых транзисторов трех типов: транзисторов с управляющим р-n переходом (JFET) и двух типов транзисторов на основе металлооксидной пленки (МОП-транзисторы или MOSFET): МОП-транзисторы с встроенным каналом (Depletion MOSFETs) и МОП-транзисторы с индуцированным каналом (Enhancement MOSFETs).

Полевые транзисторы с управляющим р-n переходом (JFET)

Полевой транзистор с управляющим р-n переходом (JFET) — униполярный транзистор, управляемый напряжением, в котором для управления током используется наведенное электрическое поле, зависящее от напряжения затвора.

Для n-канального полевого транзистора с управляющим р-n переходом чем более отрицательным будет напряжение, прикладываемое к затвору, тем меньше будет ток.

В поле компонентов имеется два типа таких транзисторов: N-канальный  и Р-

канальный.

1

В n-канальном полевом транзисторе затвор состоит из р-области, окруженной n-каналом

1

В р-канальном полевом транзисторе затвор со­стоит из n-области, окруженной р-каналом

Полевые транзисторы на основе металлооксидной пленки

Управление током, протекающим через полевой транзистор на основе металлооксидной пленки (МОП-транзистор или MOSFET), также осуществляется с помощью электрического поля, прикладываемого к затвору.

Обычно подложка контактирует с наиболее отрицательно смещенным выводом транзистора, подключенным к истоку. В трехвыводных транзисторах подложка внутренне соединена с истоком. N-канальный транзистор имеет следующее обозначение: стрелка направлена внутрь значка; р-канальный транзистор имеет исходящую из значка стрелку, N-канальный и р-канальный МОП-транзисторы имеют различную полярность управляющих напряжений.

В Electronics Workbench имеется 8 типов МОП-транзисторов:

Ø 4 типа МОП-транзисторов со встроенным каналом,

Ø 4 типа МОП-транзисторов с индуцированным каналом.

МОП-транзистор со встроенным каналом (Depletion MOSFETs)

Подобно полевым транзисторам с управляющим р-n переходом (JFET), МОП-транзистор со встроенным каналом состоит из протяженной области полупроводника, называемой каналом. Для р-канального транзистора эта область является полупроводником р-типа, для n-канального транзистора — n-типа. Свободные электроны от истока до стока должны пройти через этот узкий канал, заканчивающийся с обеих сторон электродами, называемыми истоком и стоком.

Металлический затвор МОП-транзистора изолирован от канала тонким слоем двуокиси кремния так, что ток затвора во время работы пренебрежимо мал. Чем более отрицательное напряжение затвор-исток приложено к n-канальному транзистору, тем больше канал обедняется электро­нами проводимости, ток стока при этом уменьшается. При значении напряжения затвор-исток Vgs(off) канал полностью обеднен, и ток от истока к стоку прекращается. Напряжение Vgs(off) называется напряжением от

сечки. С другой стороны, чем более положительно напряжение затвор-исток, тем больше размер канала, что приводит к увеличению тока. Р-канальный транзистор работает аналогично, но при противоположных полярностях напряжения.

1

Трехвыводной N-канальный MOSFET со встроенным каналом

1

Трехвыводной Р-канальный MOSFET со встроенным каналом

1

Четырехвыводной N-канальный MOSFET со встроенным каналом

1

Четырехвыводной Р-канальный MOSFET со встроенным каналом

МОП-транзисторы с индуцированным каналом (Enhancement MOSFETs)

Эти МОП-транзисторы не имеют физического канала между истоком и стоком, как МОП-транзисторы со встроенным каналом. Вместо этого область проводимости может рас­ширяться на весь слой двуокиси кремния.

МОП-транзистор с индуцированным каналом работает только при положительном напряжении исток-затвор. Положительное напряжение исток-затвор, превышающее минимальное пороговое значение (Vto), создает инверсионный слой в области проводимости, смежной со слоем двуокиси кремния. Проводимость этого индуцированного канала увеличивается при увеличении положительного напряжения затвор-исток. МОП-транзисторы с индуцированным каналом используются преимущественно в цифровых схемах и схемах с высокой степенью интеграции (БИС).

1

Трехвыводной N-канальный MOSFET с  индуцированным каналом

1

Трехвыводной Р-канальный MOSFET с индуцированным каналом

1

Четырехвыводной N-канальный MOSFET с индуцированным каналом

Четырехвыводной Р-канальный MOSFET с индуцированным каналом