Elementy nieliniowe stosowane w elektronice

Do elementów rezystancyjnych nieliniowych zaliczamy: termistory, beretyry, lampy łukowe, prostowniki lampowe i półprzewodnikowe, żarówki z włóknem wolframowym, rezystory wilitowe lub tyrytowe itp.

Na rysunku 3.31 przedstawiono charakterystyki kilku typowych elementów rezystancyjnych nieliniowych. Niektóre z pośród tych charakterystyk są symetryczne względem początku układu współrzędnych, a inne są niesymetryczne. Ponadto charakterystyki tzw. elementów nieliniowych sterowanych można opisać za pomocą rodziny krzywych, przy czym parametrem jest wielkość sterująca. Podczas obliczania obwodów nieliniowych korzysta się niekiedy z aproksymacji liniowej (przedziałami) charakterystyki napięciowo-prądowej elementu nieliniowego ( rys. 3.32). Aproksymacja polega na zastąpieniu rzeczywistej charakterystyki odcinkiem prostej w tym zakresie, w którym przebieg charakterystyki rzeczywistej jest zbliżony do linii prostej. Charakterystyka z rysunku 3.32c jest nazywana charakterystyką prostownika idealnego, gdyż prostownik jest traktowany w tym przypadku jako element dwustanowy: w stanie przewodzenia jego rezystancja jest równa zeru a w stanie zaporowym jest nieskończenie wielka, tzn. utożsamiamy ją z przerwą w obwodzie.




1. Warystory

Warystor (ang. VDR – Voltage Dependent Resistor – rezystor zależny od napięcia) jest rezystorem półprzewodnikowym nieliniowym, którego rezystancja zależy od wartości doprowadzonego napięcia (rys 2.13). Charakterystyka prądowo-napięciowa warystora jest symetryczna względem układu współrzędnych i opisana zależnościami.

U = CIb lub I = AUn

Przy czym - współczynnik nieliniowości; n = - zależnie od materiału i technologii wykonania; A, C – stałe, zależne od wymiarów, kształtu, materiału i technologii wytwarzania.
Współczynnik nieliniowości b praktycznie nie zależy od temperatury. Zmianom ulega natomiast stała C, przy czym współczynnik temperaturowy wynosi –0,12 -0,18 K-1.
W praktyce warystory charakteryzuje się przez podanie napięcia charakterystycznego Uch, określonego przy prądach (alternatywnie) 1, 10 lub 100 mA, maksymalnej mocy Pmax, jaka może się w nim wydzielać i tolerancji napięcia Uch (wynosi ona zwykle 10 lub 20%).
Warystory wykonuje się z masy złożonej z proszku węglika krzemu SiC (karborundu) i ceramicznego spoiwa. Produkuje się dwa podstawowe ich typy:
- walcowe (typu WN) o napięciach charakterystycznych 470 1300V;
- dyskowe (typu WD) o napięciach charakterystycznych 8 330V.
Ponadto wytwarza się warystory dyskowe o mocy ok. 100W na dysk, przeznaczone do łączenia szeregowego.

Warystory stosuje się do zabezpieczania obwodów elektrycznych przed przepięciami, do stabilizacji napięcia, ochrony styków itp.

2.Termistory

Termistor jest rezystorem półprzewodnikowym, charakteryzującym się dużym współczynnikiem temperaturowym rezystancji aT. Współczynnik ten określa względną zmianę rezystancji termistora przy zmianie temperatury o DT, gdy DT 0
aT =
Termistory zależnie od wartości i znaku współczynnika aT ,dzieli się na trzy grupy, których charakterystyki rezystancyjno-temperaturowe przedstawiono na rys 2.14.

Rezystancja termistorów typy NTC (ang. Negative Temperature Coeffiicient – ujemny współczynnik temperaturowy) maleje ze wzrostem temperatury (rys.2.14c – krzywa 1) zgodnie z zależnością

w której: A – wartość stała ; B – stała materiałowa, wynosząca 1000 6000K; RT1 – rezystancja termistora w określonej temperaturze T1.

Dla tej grupy termistorów współczynnik aT ma znak ujemny i jest przeszło dziesięciokrotnie większy niż współczynnik tempeaturowy metali. W danych katalogach wartość aT podaje się zazwyczaj dla temperatury 298K (25oC),
a25 ; także dla tej temperatury podaje się wartość rezystancji znamionowej termistora
R25=(0,01 1000)kW.

Do ważniejszych charakterystyk termistora należy charakterystyka napięciowo-prądowa (rys.2.15). Każdemu jej punktowi odpowiada określona rezystancja statyczna

i rezystancja dynamiczna

W interpretacji graficznej rezystancja statyczna jest równa (po uwzględnieniu podziałki na obydwu osiach współrzędnych) wartości tangensa kąta b1 - nachylenia siecznej do charakterystyki U = f(I) w punkcie A(U0,I0). Rezystancja dynamiczna jest równa tangensowi kąta b2 - nachylenia stycznej w punkcie A(U0,I0) (rys.2.15). Ze względu na nieliniowy przebieg charakterystyki prądowo-napięciowej rezystancja dynamiczna zależy od położenia punktu pracy (rys.2.16). W pewnym zakresie jest ona ujemna.

Termistory typu PTC (ang. Positive Temperature Coefficient – dodatni współczynnik temperaturowy) charakteryzują się tym, że w ograniczonym, ale dość dużym zakresie temperatury ich rezystancja wzrasta wraz ze wzrostem temperatury (rys.2.14c – krzywa 2). W tym zakresie przebieg zależności rezystancji od temperatury opisuje wyrażenie

RT=A1+A2exp(BT)

przy czym: A1 I A2 – stałe; B – stałą materiałowa; T – temperatura bezwzględna, K.
Wartości współczynników temperaturowych rezystancji termistorów PTC wynoszą od kilku do kilkudziesięciu procent na kelwin.

Termistory typu CTR (ang. Critical Temperature Resistor – rezystor o temperaturze krytycznej) charakteryzującą się tym, że w otoczeniu określonej temperatury ich rezystancja gwałtownie maleje (rys.2.14c – krzywa 3). Ten skok rezystancji (dochodzący do pięciu rzędów wartości) zachodzi w wąskim zakresie temperatury (ok. 1K).
Parametrami charakterystycznymi termistora CTR są temperatura skoku TS, wyznaczona jako średnia arytmetyczna temperatury początku TP i końca skoku TK

i wartości skoku j, określona jako logarytm stosunku rezystancji w temperaturze TP i TK

Wartość temperatury TS zależy przede wszystkim od materiału termistora. Uzyskuje się termistory o temperaturze TS od 308K do 353K. Wartość skoku j zawiera się w granicach 2 5.
Termistory wykonuje się z tlenków, np. tlenku manganu, niklu kobaltu, glinu, żelaza, miedzi, wanadu, litu oraz węglanów i azotanów. Od rodzaju użytych tlenków i ich proporcji w mieszaninie zależą właściwości termistora.
Produkuje się termistory masywne – o masie rzędu gramów, dużej pojemności cieplnej i stosunkowo dużej obciążalności oraz miniaturowe – o masie rzędu miligramów. Wytwarza się także termistory podgrzewane pośrednio. Obwód pomiarowy termistora jest wtedy oddzielony galwanicznie od obwodu, w którym jest on podgrzewany.
Termistorów używa się do pomiaru temperatury, do kompensacji jej wpływu w układach elektronicznych, do stabilizacji napięcia, amplitudy drgań, do automatycznej regulacji wzmocnienia, do ochrony elementów przed przeciążeniem, do pomiaru strumienia (przepływu) cieczy i gazów, do przetwarzania prądu zmiennego w stały, do generacji drgań itp.

3. Transoptory

Transoptor jest półprzewodnikowym elementem optoelektronicznym, składającym się z co najmniej jednego fotoemitera i co najmniej jednego fotodetektora, umieszczonych we wspólnej obudowie (rys.10.23). Sprzężenie optyczne między fotodetektorem a fotoemiterem umożliwia światłowód. Transoptor pozwala przesyłać sygnały elektryczne z wejścia na wyjście bez połączeń galwanicznych obwodów wejściowego i wyjściowego.

W transoptorze rolę fotoemitera w obwodzie wejściowym spełnia zwykle dioda elektroluminescencyjna z arsenku galu GaAs. Na wyjściu transoptora może znajdować się fotodioda (rys.10.24a) lub fototranzystor (rys.10.24b).

Rzadziej stosuje się inne elementy; fototyrystor (rys.10.24c), fotodarlington (rys.10.24d, fotodiodę i tranzystor (rys.10.24e), bramkę logiczną (rys.10.24f). Fotodetektory obwodu wyjściowego są wytwarzane z krzemu Si. Zapewnia to dobrą korelację charakterystyk widmowych fotoemitera i fotodetektora (dochodzi ona do 90%). Transoptor pracuje w zakresie podczerwieni.
Parametry transoptora charakteryzują właściwości jego elementów składowych, tzn. diody elektroluminescencyjnej i fotodetektora.

Charakterystyka przejściowa (rys.10.25) przedstawia zależność prądu wyjściowego I0 (np. prądu kolektor-emiter ICE fototranzystora) od prądu wejściowego II (np. prądu przewodzenia IF fotodiody). Z nachylenia tej charakterystyki można wyznaczyć wzmocnienie transoptora, nazywane też przekładnią prądową CTR

Wartość CTR zależy przede wszystkim od fotodetektora. Typowe wartości podano w tablicy. Największe wzmocnienie można uzyskać w układzie z fotodarlingtonem, ale ma on najmniejszą częstotliwość graniczną.

Odbiornik Wzmocnienie Częstotliwość graniczna
% KHz
FotodiodaFototranzystorFotodarlington 0,530300 10 00050050

Ważnym parametrem jest napięcie stałe izolacji UIO lub napięcie zmienne Uio), tj. dopuszczalna wartość napięcia przyłożonego pomiędzy zwarte końcówki wejściowe i wyjściowe, nie powodująca przebicia elektrycznego izolacji transoptora. Napięcie to wynosi od kilkuset woltów do kilku, a nawet kilkudziesięciu kilowoltów.

Produkuje się również transoptory otwarte: refleksyjne i szczelinowe, w których obwód wejściowy jest sprzężony optycznie z obwodem wyjściowym za pośrednictwem przedmiotów zewnętrznych. W transoptorach refleksyjnych promieniowanie wysyłane przez fotoemiter ulega odbiciu od przedmiotu zewnętrznego i powraca do foto fotodetektora. W transoptorach szczelinowych strumień promieniowania może być przerywany mechanicznie przez przedmiot wkładany w szczelinę między fotodetektorem a fotoemiterem

Transoptory stosuje się do galwanicznego rozdzielania obwodów, np. w technice wysokich napięć, w technice pomiarowej i automatyce, w sprzęcie komputerowym i w sprzęcie telekomunikacyjnym. Spełniają one również rolę potencjonometrów bezstykowych oraz przekaźników optoelektronicznych, wykorzystywanych do budowy klawiatury kalkulatorów i komputerów. W układach sygnalizacyjnych i zabezpieczających są stosowane jako wyłączniki krańcowe, czujniki otworów, czujniki położenia, wskaźniki poziomu cieczy itp.