Напряжение, ток и сопротивление
1.06. Динамическое сопротивление
Часто приходится иметь дело с электронными устройствами, в которых ток I не пропорционален напряжению U; в подобных случаях нет смысла говорить о сопротивлении, так как отношение U/I не является постоянной величиной, независимой от U, а, наоборот, зависит от U. Для подобных устройств полезно знать наклон зависимости U - I (вольт-амперной характеристики). Иными словами, представляет интерес отношение небольшого изменения приложенного напряжения к соответствующему изменению тока через схему: ΔU/ΔI (или dU/dl). Это отношение измеряется в единицах сопротивления (в омах) и во многих расчётах играет роль сопротивления. Оно называется сопротивлением для малых сигналов, дифференциальным сопротивлением, динамическим или инкрементным сопротивлением.
Рис. 1.13. Вольт-амперные характеристики; а - резистор линейная зависимость ; 6 - зенеровский диод (нелинейная зависимость).
Зенеровские диоды (стабилитроны). В качестве примера рассмотрим зенеровский диод (стабилитрон), вольт-амперная характеристика которого приведена на рис. 1.13. Зенеровские диоды используют для получения постоянного напряжения на каком-либо участке схемы. Это достигается за счет тока (в грубом приближении постоянного), получаемого от источника большего напряжения в той же схеме. Например, зенеровский диод, представленный на рис. 1.13, преобразует питающий ток, изменяющийся в указанном диапазоне, в соответствующий (но более узкий) диапазон напряжений. Важно понять, как будет вести себя соответствующее напряжение на зенеровском диоде (зенеровское напряжение пробоя) при изменении питающего тока, это изменение есть мера влияния изменений питающего тока. Оно характеризуется динамическим
рис. 1.14. Регулятор на зенеровском диоде.
сопротивлением зенеровского диода, определяемым при заданном токе. (Учтите, что динамическое сопротивление зенеровского диода в режиме стабилизации изменяется обратно пропорционально току). Например, динамическое сопротивление зенеровского диода, создающего напряжение стабилизации 5 В, может быть равно 10 Ом при токе 10 мА. Воспользовавшись определением динамического сопротивления, найдём, чему будет равно изменение напряжения при изменении питающего тока на 10%: ΔU = RдинΔI = 10·0,1·0,001 = 10 мВ или ΔU/U = 0,002 = 0,2%. Тем самым подтверждаются высокие стабилизирующие качества зенеровского диода. На практике часто приходится иметь дело с такими схемами, как показанная на рис. 1.14. Здесь ток, протекающий через стабилитрон и резистор, обусловлен имеющимся в той же схеме напряжением, большим чем напряжение стабилизации. При этом I = (Uвх - Uвых)/R и ΔI = (ΔUвх - ΔUвых/R) тогда ΔUвых = RдинΔI = (Rдин/R)(ΔUвх - ΔUвых) и наконец, ΔUвых = ΔUвхRдин/(R + Rдин). Следовательно, по отношению к изменениям напряжения схема ведёт себя как делитель напряжения, в котором зенеровский диод заменён резистором, сопротивление которого равно динамическому сопротивлению диода при рабочем токе. Приведённый пример показывает, для чего нужен такой параметр, как динамическое сопротивление. Допустим что в рассмотренной нами схеме входное напряжение изменяется в пределах от 15 до 20 В, а для получения стабильного источника напряжения 5,1 В используется зенеровский диод типа 1NA733 (зенеровский диод с напряжением 5,1 В и мощностью 1 Вт). Резистор сопротивлением 300 Ом обеспечит максимальный зенеровский ток, равный 50 мА: (20-5,1)/300. Оценим изменение выходного напряжения, зная, что максимальное сопротивление для выбранного диода составляет 7 Ом при токе 50 мА. В диапазоне изменения входного напряжения ток через зенеровский диод изменяется от 50 мА до 33 мА; изменение тока на 17 мА вызывает изменение напряжения на выходе схемы, равное ΔU = RдинΔI, или 0,12 В. Другие примеры использования зенеровских диодов вы найдёте в разд. 2.04. В реальных условиях зенеровский диод обеспечивает наивысшую стабильность, если он питается от источника тока, у которого по определению Rдин = ∞ (ток не зависит от напряжения). Но источник тока представляет собой достаточно сложное устройство, и поэтому на практике мы чаще всего удовлетворяемся простым резистором.
Туннельные диоды. Ещё один интересный пример использования параметра динамического сопротивления связан с туннельным диодом. Его вольт-амперная характеристика показана на рис. 1.15.
рис. 1.15.
В области между точками А и В он обладает отрицательным динамическим сопротивлением. Из этого вытекает важное следствие: делитель напряжения, состоящий из резистора и туннельного диода, может работать как усилитель (рис 1.16).
рис. 1.16.
Воспользуемся уравнением для делителя напряжения и для изменяющегося напряжения Uсигн, получим Uвых = [R/(R + rt)] Uснгн, где rt - динамическое сопротивление туннельного диода при рабочем токе, Uсигн - изменение малого сигнала, которое до настоящего момента мы обозначали через ΔUсигн (в дальнейшем мы будем пользоваться этим широко распространённым обозначением). Для туннельного диода rt дин < 0. Значит, ΔU/ΔI < 0 или u/i < 0 для области вольт-амперной характеристики туннельного диода, заключённой между точками А и В. Если rt дин < 0, то знаменатель становится близким к нулю, и схема начинает работать как усилитель. Напряжение uбат создаёт постоянный ток, или смещение, которое смешает рабочую точку в область отрицательного сопротивления. (Безусловно, во всяком усилительном приборе необходимо иметь источник питания.)
И наконец, в двух словах история туннельных диодов: они появились в конце 50-х годов, и с ними сразу стали связывать пути разрешения множества проблем схемотехники. Их высокое быстродействие дало основание предположить, что они произведут революцию в области вычислительной техники. К сожалению, оказалось, что эти элементы сложны в использовании; это обстоятельство, а также успешное развитие транзисторов привело к тому, что туннельные диоды сейчас почти не находят применения.
Позже при рассмотрении активных фильтров мы вернемся к явлению отрицательного сопротивления. Тогда вы познакомитесь со схемой преобразователя отрицательного импеданса, которая обеспечивает наряду с другими характеристиками настоящее (а не динамическое) отрицательное сопротивление.