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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 비선형 회로 계산. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전
무선 전자 및 전기 공학 백과사전 / 초보자 라디오 아마추어 선형 회로는 특성이 적용된 전압이나 전류에 의존하지 않는 회로입니다. 선형 요소는 저항기(전류가 너무 높지 않고 저항기가 과열되거나 타버리지 않는 한), 커패시터(양단 전압이 항복 전압 미만인 경우) 및 기타 여러 요소입니다. 지금까지 우리는 그런 것들만 다루었습니다. 그러나 경우에 따라 소자의 특성은 소자의 전압이나 전류에 따라 변경됩니다. 이러한 요소와 이들이 포함된 회로를 비선형이라고 합니다. 일반적이고 가장 일반적인 비선형 요소는 반도체 장치(다이오드, 트랜지스터), 가스 방전 장치 및 진공관입니다. 비선형 저항(바리스터)과 비선형 커패시턴스(바리캡)가 있습니다. 자기 코어가 있는 인덕터는 항상 어느 정도 비선형입니다. 요소의 목적에 따라 비선형성을 줄이거 나 (예 : 증폭기에서) 반대로 가능한 한 강조하려고합니다 (감지기 및 정류기, 전압 및 전류 안정기에서). 간단한 것에서 복잡한 것으로 이동하면서 직류에서 반도체 비선형 요소의 동작을 먼저 고려하십시오. 기존 다이오드의 전류-전압 특성도 분석적으로 대략적으로만 설명할 수 있습니다(공식 사용). 요소를 통과하는 전류와 해당 단자의 전압을 연결하는 표 형식으로 설정할 수 있지만 그래픽으로 표시하는 것이 가장 좋습니다. 참고서에 다이오드와 트랜지스터의 특성이 그래프 형태로 나와있는 것은 당연합니다! 무화과에. 18은 단자 U의 전압에 따라 일부 추상 다이오드를 통한 전류 i의 전류-전압 특성을 보여줍니다. 다이오드 양단의 역 전압(그래프의 0점 왼쪽)에서 다이오드를 통과하는 전류는 매우 작습니다( 역전류). 특정 임계값 Upop 미만의 순방향 전압에서 전류도 작지만 U>Upor이면 상황이 바뀝니다. 이제 전류가 급격히 상승하고 곡선이 가파르게 위로 올라갑니다. 임계 전압은 반도체의 물질에 따라 다릅니다. 게르마늄 다이오드의 경우 약 0,15V, 실리콘의 경우 0,5V입니다.
각 지점에서 전류-전압 특성의 기울기는 다이오드의 차동 저항을 결정합니다. 일부 전압 증분 D11을 설정하고 해당 전류 증분 Δi1을 찾아 결정하는 것은 쉽습니다. Vdiff = ΔU1/Δi1. 그래프의 왼쪽은 크고 오른쪽은 작습니다. 동일한 전압 증분 ΔU2 = ΔU1은 훨씬 더 큰 전류 증분 Δi2에 해당합니다. 다이오드를 통한 전압 또는 전류에 대한 Vdiff의 강한 의존성은 무선 공학에서 널리 사용됩니다. 예를 들어 반도체 다이오드 VD19과 전류 제한 저항 R1을 포함하는 가장 간단한 전압 안정기 (그림 1)를 계산해 보겠습니다. 저항과 다이오드 양단의 전압 강하의 합이 입력 전압 Uin과 같다는 것은 매우 명백합니다. 다이오드 안정화 전압 Ust 양단의 강하를 호출합시다. 그러면 Ust = Uin - iR1입니다. 그러나 회로의 전류는 Ust에 따라 다르므로 이 방정식을 분석적으로 풀 수는 없지만 그래픽으로 쉽게 풀 수 있습니다.
가로축에 Uin을 표시하고 선택한 저항 R1에 해당하는 부하 특성을 그립니다(그림 18의 직선). 축의 두 점(Uin 및 iK3 = Uin/R1)을 통해 그려지는 것을 기억하십시오. 한 지점에서만 다이오드와 저항을 통과하는 전류가 일치합니다. 다이오드 특성과 부하 라인의 교차점에서 회로의 다른 모드는 불가능합니다. 교차점과 원하는 Ust를 제공합니다. 그래픽으로 Uin 또는 저항 R1의 저항이 변경될 때 Ust가 어떻게 변경되는지 확인할 수 있습니다. 실제로 기존의 전압 안정화 다이오드는 저전압이 필요한 경우에만 거의 사용되지 않습니다. 제너 다이오드는 널리 사용되며 다양한 전압으로 생산됩니다. 이것들도 다이오드이지만 특성의 역 분기에서 작동합니다. 특정 전압에서 가역적 눈사태 항복이 발생하고 전류가 급격히 증가합니다. 다이오드 대신 제너 다이오드를 켜는 회로가 그림에 나와 있습니다. 19 점선. Ust 영역에서 제너 다이오드의 특성은 매우 가파르고 Ust는 전류와 거의 독립적이므로 회로 계산이 단순화됩니다. 제너 다이오드 i를 통과하는 전류가 주어지면 R1 = (Uin-Ust) / 나. 부하가 제너 다이오드에 병렬로 연결되어 일부 전류 iH를 소비하는 경우 i = ist + iH가 됩니다. 여기서 ist는 제너 다이오드를 통과하는 전류입니다. 안정화가 좋을수록 부하 전류에 비해 제너 다이오드의 전류가 커집니다. 또 다른 예로 간단한 트랜지스터 증폭 단계의 모드를 계산해 봅시다(그림 20).
예를 들어 KT315 시리즈와 같은 실리콘 트랜지스터는 기본 전압이 약 0,5V에서 열리지만 전압 소스(내부 저항이 낮은 소스)에서 이러한 바이어스를 적용하는 것은 불가능합니다. 바이어스 전압은 트랜지스터를 통한 전류의 큰 변화로 이어질 것입니다. 저항 R1이 큰 저항을 통해 바이어스 전류를 적용하는 것이 좋지만 전원이 아닌 (때로는 잘못 수행됨) 트랜지스터 컬렉터에서 모드를 안정화하는 것이 좋습니다. 콜렉터의 전압을 공급 전압의 절반으로 설정하는 것이 좋습니다: UK = Upit/2. 이렇게 하면 우수한 증폭기 선형성과 강한 신호의 대칭적 클리핑이 보장됩니다. 우리는 트랜지스터의 컬렉터 전류를 설정하고 (합리적인 이유로-분수에서 수 밀리 암페어까지의 저전력 캐스케이드) R2 = Upit / 2iK를 찾습니다. 캐스케이드의 출력 임피던스는 동일합니다. 이제 우리는 참고서에서 h21E 트랜지스터의 전류 전달 계수를 가져 와서 기본 전류를 찾습니다. ib = iK / h21E- 바이어스 저항 R1 = Upit / 2ib의 저항을 찾는 것이 남아 있습니다. R1 = R2 h21E임을 쉽게 알 수 있습니다. 계산은 완료되지만 트랜지스터의 h21E가 기준 데이터에서 가져온 값과 매우 다른 경우 UK = Upit / 1가 될 때까지 저항 R2을 선택해야 할 수 있습니다. 교류에 노출되었을 때 비선형 회로의 동작에 대해 간략하게 살펴보고, 예를 들어 역병렬로 연결된 두 개의 실리콘 다이오드에서 만든 대칭 리미터의 작동을 고려하십시오(그림 21).
입력 전압 Uvx가 Uthr보다 훨씬 크면 회로의 전류는 입력 전압과 저항 R1의 저항에 의해서만 결정됩니다. i = Uvx / R1. 다이오드의 전류-전압 특성은 그림과 같이 대칭 곡선으로 표시됩니다. 22. 왼쪽에 전류 그래프(예: 정현파)를 만들면 다이오드의 전압 그래프를 점별로 쉽게 그릴 수 있습니다(아래 곡선). 결과 전압 모양은 약 0,5V의 진폭을 가진 직사각형에 가깝습니다.
마찬가지로 비선형 특성을 가진 다른 회로에서 전류 또는 전압의 형태를 찾을 수 있습니다. 한 가지 중요한 상황에 주목합니다. 특정 주파수의 정현파 동작이 있는 선형 회로에서 f 다른 주파수의 신호가 발생하지 않으면 비선형 회로에서는 모든 것이 다릅니다. 이 예에서는 한 주파수 f의 정현파 전압이 리미터에 적용되었으며 출력 전압에는 이미 전체 주파수 스펙트럼(이 경우 f, 3f, 5f 등)이 포함되어 있습니다. 여러 주파수를 고조파라고 합니다. 다이오드 중 하나가 꺼지면 한 극성의 반파만 제한되고 고조파까지 나타납니다. 주파수 f1과 f2가 다른 진동의 합이 비선형 회로에 들어가면 그림은 훨씬 더 복잡해집니다. 그러면 일반적인 경우 mf1 ± nf / 2에서 f1 + f2, f1-f2 등의 조합 주파수가 나타납니다. 여기서 min 정수입니다. 이러한 비선형 왜곡 곱의 진폭은 비선형 계수와 직접적으로 관련되기 때문에 예를 들어 오디오 주파수 증폭기에서 입력에 XNUMX톤 신호를 적용하고 증폭기 출력에서 측면 구성 요소의 진폭. 자가진단 질문. 필라멘트의 저항이 절대 온도에 정비례한다는 점을 고려하여 일반 백열 전구의 전류-전압 특성을 플로팅합니다(정상적인 실내 온도는 300°K, 최대 가열 시 필라멘트 온도는 3000°K임). 물론 램프 필라멘트의 온도가 적용된 전압, 전류 또는 전력에 의존하는 열역학적 문제는 미분 방정식의 해가 필요하기 때문에 엄격하게 풀 수는 없습니다. 그러나 다음을 기반으로 램프의 전류-전압 특성(CVC)에 대한 대략적인 그래프를 작성할 수 있습니다. 전압이 300이면 전류가 없고 필라멘트의 온도는 0K이고 저항은 Ro입니다. 이는 곡선의 기울기를 결정하는 VAC 영점에서의 차동 저항입니다: α1~ΔI/ΔU=0/RXNUMX. CVC 끝점의 좌표를 Unom 및 Inom으로 표시합니다. 램프의 공칭 전압과 전류입니다. 이 지점에서의 차동 저항은 10배 더 큽니다(온도가 3000K이므로). 따라서 α1은 더 적을 것입니다.
보시다시피 일반 백열 램프는 램프의 전압이 크게 변경되면 (특히 UHOM 근처) 램프를 통과하는 전류가 거의 변하지 않기 때문에 전류 안정기의 특성을 가지고 있습니다. 저자: V.Polyakov, 모스크바
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