咨詢QQ:
      雜志訂閱

      編輯

      網管

      培訓班

      市場部

      發行部

電話服務:
 010-82024984
 010-82024981
歡迎, 客人   會員中心   幫助   合訂本   發布信息
設為首頁 | 收藏本頁
與電路和器件關聯的“非線性阻性”要點
  • 當前半導體技術的應用極為普遍,如二極管、三極管等,都具有非線性的“阻性”的參數性能;歐姆定律不僅適用于線性電阻、而且能計算出非線性電阻的定量變化。以U、I兩座標直角關系組成的面積上,每一點都確定了相應的電阻數值,專門表達非線性電阻性參量的特性。
  • 當前開關電源、交流UPS、自動控制、網絡、數據通信、集成電路、電腦、手機、電視機等設備應用極廣;其中半導體器件是普遍應用、極為重要的器件,應用廣泛的原因正是“非線性阻性”(“電阻”參數值變化的)及其“控制”功能的特殊效果。
      
      文獻[1]分析說明了通信用(交流)UPS規定的兩種負載之一的非線性負載,是非線性的“阻性”的特性;此文之初為了引出此類特性的普遍性,例舉了屬于“非線性”的半導體器件如二極管、三極管、穩壓管等都屬“阻性”。(注:該文在印刷的文字中比我寫的原稿多了“在線性工作區”這幾個字,概念就變樣了,應該用鋼筆將這幾個字劃掉)。
      
      歐姆定律創建之后,線性電阻(在恒定溫度時電阻數值不變或近似不變的)占用了“電阻”名稱,實際上,電阻的“非線性”也是用歐姆定律公式的計算結果來確認和表示的。
      
      非線性“阻性”參數的特性可用直觀的U和I兩座標面積中的曲線來表示,電阻的參數(R=U/I)就隱含其中。電感也有電壓和電流,電感的非線性為何不能用U、I曲線來表示。線性的含義也有多種,也需要區分。
      
      1  “電阻”概念及復雜因素
      
      (1)“電阻”原先就是“電參數名”
      
      電阻的物理意義是導電物體對通過電流的阻力大小。可用數值來表示,其單位是“歐姆”,因此“電阻”是“電參數名”。
      
      歐姆定律I=U/R,當時從線性電阻導出,測得電流正比于電壓,證明了當時被測試的電阻是常數;多少年來留下了非常深刻(而不全面)的普遍影響!
      
      (2)“器件名”與“電參數名”相混
      
      ①“線性”電阻“器件”的名稱,若稱之為“電阻器”(例如:英文名字中的resistor),就可以與歐姆定律中的“電阻”(resistance)相區別;但在我國的技術發展過程中,習慣上(常在中文名詞中省掉了一個“器”字)常“簡稱”之為“電阻”,例如:線繞“電阻”,碳膜“電阻”;造成了與歐姆定律中電阻是“電參數名”的性質相“混淆”;
      
      ②又容易誤解成“線性”占有了“電阻”的全部范圍;
      
      ③又似乎將“半導體”器件的名稱和性質排除在“電阻”之外了!
      
      ④這個現實難以改變!為避免誤解,用些補充意義的名稱,如:等效電阻、電阻性質、阻性、……等;當應用歐姆定律或見到未加補充意義的“電阻”名稱時,只好各人自己隨時領會“器件名”與“電參數名”兩者的區別了!
      
      (3)“半導體”這個名稱能說明此類器件具有“電阻”的性質
      
      ①名稱中含有“導體”兩字,衡量導體的導
      
      電性能的參數是“電導率”,“電阻”是“電導”的倒數,只是不同的表示方式,可見半導體是“電阻”性質的材料;所以,用半導體材料做的器件,不論是線性或非線性都有“電阻”的性質,簡稱“阻性”;
      
      ②普遍應用的晶體二極管、晶體三極管(晶體表示有半導體的PN結),都是“非線性阻性”器件。文獻[2]對兩者的等效電阻參數都作了分析,如晶體三極管的輸入電阻、輸出電阻,并且都可分為直流電阻(即R=U/I)、微變(交流)電阻(即R=ΔU/ΔI);
      
      高頻開關電源及UPS設備中常用的MOSFET、IGBT等,其特性中含有“電阻”的參數。例如,MOSFET在開關工作狀態下導通時,有通態電阻的性能[3]。
      
      ③這些器件都具有“非線性”的“阻性”特性,但是,電阻的變化現象很繁雜時,往往采用了較直觀的U、I特性曲線來表示,例如,引入便于計算的電流放大倍數β等參數。這樣,電阻參數常被隱蔽了(雖然不一定隨時注意,但是客觀存在的);
      
      ④電阻的性能之一是消耗電功率轉換成熱能,應用阻性器件和設備要有散熱的考慮和設計。否則,容易過熱和損壞,甚至燒毀、火警等。
      
      (4) 歐姆定律的應用范圍
      
      ①歐姆定律公式I=U/R:適用于任何“電阻”參數的運算,即不僅適用于線性電阻,而且能計算出非線性的阻性參數的定量變化;
      
      ②建立全面的概念:不單是理解到電阻R不變時,電流I正比于電壓U;還要注意到電壓U不變時,電流I反比于電阻R;以及在電流I不變時,電壓U正比于電阻R;
      
      ③實際應用的機動性:許多情況I、U、R三個參數都在變,可隨時應用公式計算;
      
      ④歐姆定律的限制條件:電阻R不能是“負”值,也就是電阻上的電壓與電流兩者的方向不能相反,因為兩者相反時不再是消耗電功率,而是供出電功率了。電阻不是電源,也不像電感、電容有儲能、回能的作用。
      
      2  電阻變化的因素和狀態
      
      (1)線性電阻
      
      電阻數值恒定的電阻,但也有因素使線性電阻變化,例如,常用的銅導線,電阻隨溫度變化。
      
      (2)電阻參數可變的電阻
      
      雖然穩定時工作在線性狀態(工作狀態電阻參數是不變的或近似不變的),但電阻數值是可變的,如電位器、可變電阻,電阻是可以人為調節的;又如白熾燈,說明如下:
      
      ①白熾燈的電阻隨溫度明顯變化,一只燈泡的燈絲溫度與電源電壓相關,電源電壓為額定電壓時,燈絲發強光時的溫度約1000℃,電阻(阻值)約增大到室溫時的10倍左右;
      
      ②運行之中電源電壓恒定時,可認為阻值也恒定,電源電壓變動時阻值也變動;
      
      ③開燈之初,燈絲溫度從低溫變到高溫,燈絲電阻從小變大,燈絲電流從大變小,然后達到穩定狀態,也就是電燈泡在穩定發光之前,有一個極短時間內很大的沖擊電流,這也是電阻的非線性現象的體現,都要用歐姆定律來分析;
      
      ④可見,線性電阻實現的條件是溫度不變。
      
      (3)非線性電阻性器件
      
      ①非線性阻性器件,如日光燈、半導體器件(如二極管、穩壓管、三極管、穩壓管等),可在U、I直角座標的平面上,繪出各自的伏安特性曲線,用歐姆定律可求出曲線上相應各點U、I瞬時值相對應的電阻數值,可看出電阻的變化,認識“非線性阻性”的性質;
      
      ②最為重要的是“非線性阻性”類器件專有的“控制”功能,如晶體三極管是“電流控制”型器件,可用輸入側的小電流控制輸出側(流過三極管的)相對大的電流;常用電流放大倍數β來近似推算輸出電流的變化量,很是方便,應用極廣!
      
      ③但從輸出電壓和電流兩者“同時”可不變、緩變和快速變化,有電功率損耗會發熱(要考慮散熱)的問題上,隨時顯示了電阻的性質。
      
      (4)非線性阻性器件的功能
      
      電功率發熱(要散熱),沒有(電感、電容那樣的)儲能和回能,電壓電流變化速率不限,晶體三極管是小電流控制大電流的器件,多級放大能控制大功率,可設計成線性放大器、開關變換器等。
      
      ①電阻是有電功率損耗的電參數,相應的電能轉換成其它能,如熱能、光能;(純電感、純電容沒有電功率損耗,實際情況計及電功率損耗時要有相應的等效電阻)電爐、電燈都利用了能量變換。
      
      半導體器件的有利因素是變換和控制電能,變成熱能的電功率是無用的損耗,要限制,還要散熱。但發熱,也說明了電阻特性。
      
      ②電阻沒有儲存電能和釋放電能的作用,這是極重要的有利條件。因此,電阻的電流與電壓大小變化的速率不受限制,即“不變”、“慢變”、“快變”都行。
      
      其優點是,作為主要器件隨電路的設計,可用于交流或直流,開關變換或模擬(線性)放大(波形畸變小),各種波形,不同頻率范圍,也可寬頻帶響應等。電感則儲能于磁場又回能于電路,電感的電流不能突變、其電壓不能長期不變;電容儲能于電場又回能于電路,電容的電壓不能突變、其電流不能長期不變;在電路中只能起到輔助的作用。
      
      3  U、I特性只適用于“阻性”
      
      (1)U、I直角座標組成的面積內適用于繪制“阻性”參數的特性
      
      “阻性”參數的計算公式用歐姆定律R=U/I,式中只有3個參數,即在U、I直角座標組成的矩形面積內,任意一點都有確定的電壓U和電流I的值,可以求出該點位置的電阻R值;在此面積上繪出的特性曲線可稱為“伏安特性”,是該“阻性”器件的固有特性,也就是在實際應用中無論電壓、電流在此范圍內如何變化,在規定的條件下特性曲線是固定的(或變化很小的)。
      
      (2)U、I直角座標組成的面積內無法繪制“感性”參數的特性
      
      ①“感性”參數的計算公式是u=Ldi/dt,式中有4個參數,即u、L、i、t,必須有3參數已知,即必須3種參數的座標上波形有位置(有數據),才能求解此式;
      
      ②當電感量L已知時,電感上的瞬時電壓u與電流的變化率di/dt成正比;不是取決于“該瞬時”的電流i、i的數值是“大”還是“小”、是“正”還是“負”,都不是決定u的因素。也就是電流的瞬時值不能肯定,無法在U、I座標上找位置;
      
      ③di/dt要在i、t兩座標的面積中繪出電流瞬時值i的波形,波形上的每一點都有該點的波形(向上或向下)的斜率,這就是該點的di/dt;所以沒有t座標情況下是沒法表示di/dt的;
      
      ④電壓u要在u、t兩座標的面積上畫出波形,i和u兩波形的對照,才能分析非線性和相位的情況。
      
      注:電感的非線性常用磁化曲線來表示。
      
      (3)U、I座標上無法繪制“容性”的特性類似的原因,“容性”參數的計算公式是i=Cdu/dt,式中du/dt是電容電壓的變化率,要有時間t的座標。
      
      注:一般的電容器非線性因素變化非常緩慢,故不需分析非線性的影響。
      
      4 多種“線性”的含義
      
      (1)電阻“分類”中的“線性”
      
      電阻參數的“線性”與“非線性”,是指電阻在工作和分析的范圍內,電阻值的“不變”與“變”的分類。
      
      (2)伏安特性形狀或局部形狀的“線性”
      
      ①只有與“零點”相交的“斜直線”(含延長線)才是“線性”電阻的伏安特性。零點是指U、I都為零值的點,也就是電壓為零時,電流也為零,此類“斜直線”上電壓與電流才能成正比;不滿足上述特點的“伏安特性”(或局部線段)都是“非線性電阻”的特性。
      
      ②穩壓特性:電流在相應范圍變化時,電壓恒定(或近于恒定),在此范圍內的伏安特性是與電流座標平行的直線(或近似直線),形狀也是“線性”,但計算其電阻則有大范圍的變化,此線段的電阻是“非線性”的;
      
      ③穩流特性:電壓在相應范圍變化時,電流恒定(或近于恒定),在此范圍內的伏安特性是與電壓座標平行的直線(或近似直線),形狀也是“線性”,但計算其電阻則有大范圍的變化,此線段的電阻是“非線性”的;
      
      ④晶體三極管輸出側的伏安特性,常畫有多條對應于輸入電流的曲線,其“線性”區,其中每一條線的“線性”部分,較近似于上述“穩流特性”,電壓變時電流沒有明顯變化,所以采用了“電流放大倍數”β這個線性化了的參數,便于計算(實質是近似的計算);隱含著變化繁雜的“非線性電阻”這個參數。
      
      (3)放大器的工作狀態的“線性”
      
      “線性”放大器也可稱為“模擬”放大器,輸出信號是輸入信號成比例放大的,如音頻放大器的工作狀態。
      
      但放大器中的晶體三極管始終是可以“控制”的“非線性阻性”的工作特點。
      
      參考文獻
      
      [1]黃濟青.對于”非線性負載”與”感性負載”的理解[J].UPS應用2017.1P.30-35,(注:其中P.30,左列,第9行,要用鋼筆將“在線性工作區”這幾個字劃掉).
      
      [2]謝沅清,謝月珍.電子電路基礎[M].人民郵電出版社1999年9月第1版,P.1、P.10、P.23、P.24、P.25、P.33.
      
      [3]黃濟青,黃小軍.通信高頻開關電源[M].北京機械工業出版社,2004.4,P.10、P.13.
      
      作者簡介
      
      黃濟青,北京郵電大學(原)電信工程學院教授,本刊編委。
      
      編輯:Harris
      
      

  •  
  • 刘伯温猜图四肖中特料