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与电路和器件关联的“非线性阻性”要点
  • 当前半导体技术的应用极为普遍,如二极管、三极管等,都具有非线性的“阻性”的参数性能;欧姆定律不仅适用于线性电阻、而且能计算出非线性电阻的定量变化。以U、I两座标直角关系组成的面积上,每一点都确定了相应的电阻数值,专门表达非线性电阻性参量的特性。

    当前开关电源、交流UPS、自动控制、网络、数据通信、集成电路、电脑、手机、电视机等设备应用极广;其中半导体器件是普遍应用、极为重要的器件,应用广泛的原因正是“非线性阻性”(“电阻”参数值变化的)及其“控制”功能的特殊效果。
      
      文献[1]分析说明了通信用(交流)UPS规定的两种负载之一的非线性负载,是非线性的“阻性”的特性;此文之初为了引出此类特性的普遍性,例举了属于“非线性”的半导体器件如二极管、三极管、稳压管等都属“阻性”。(注:该文在印刷的文字中比我写的原稿多了“在线性工作区”这几个字,概念就变样了,应该用钢笔将这几个字划掉)。
      
      欧姆定律创建之后,线性电阻(在恒定温度时电阻数值不变或近似不变的)占用了“电阻”名称,实际上,电阻的“非线性”也是用欧姆定律公式的计算结果来确认和表示的。
      
      非线性“阻性”参数的特性可用直观的U和I两座标面积中的曲线来表示,电阻的参数(R=U/I)就隐含其中。电感也有电压和电流,电感的非线性为何不能用U、I曲线来表示。线性的含义也有多种,也需要区分。
      
      1  “电阻”概念及复杂因素
      
      (1)“电阻”原先就是“电参数名”
      
      电阻的物理意义是导电物体对通过电流的阻力大小。可用数值来表示,其单位是“欧姆”,因此“电阻”是“电参数名”。
      
      欧姆定律I=U/R,当时从线性电阻导出,测得电流正比于电压,证明了当时被测试的电阻是常数;多少年来留下了非常深刻(而不全面)的普遍影响!
      
      (2)“器件名”与“电参数名”相混
      
      ①“线性”电阻“器件”的名称,若称之为“电阻器”(例如:英文名字中的resistor),就可以与欧姆定律中的“电阻”(resistance)相区别;但在我国的技术发展过程中,习惯上(常在中文名词中省掉了一个“器”字)常“简称”之为“电阻”,例如:线绕“电阻”,碳膜“电阻”;造成了与欧姆定律中电阻是“电参数名”的性质相“混淆”;
      
      ②又容易误解成“线性”占有了“电阻”的全部范围;
      
      ③又似乎将“半导体”器件的名称和性质排除在“电阻”之外了!
      
      ④这个现实难以改变!为避免误解,用些补充意义的名称,如:等效电阻、电阻性质、阻性、……等;当应用欧姆定律或见到未加补充意义的“电阻”名称时,只好各人自己随时领会“器件名”与“电参数名”两者的区别了!
      
      (3)“半导体”这个名称能说明此类器件具有“电阻”的性质
      
      ①名称中含有“导体”两字,衡量导体的导
      
      电性能的参数是“电导率”,“电阻”是“电导”的倒数,只是不同的表示方式,可见半导体是“电阻”性质的材料;所以,用半导体材料做的器件,不论是线性或非线性都有“电阻”的性质,简称“阻性”;
      
      ②普遍应用的晶体二极管、晶体三极管(晶体表示有半导体的PN结),都是“非线性阻性”器件。文献[2]对两者的等效电阻参数都作了分析,如晶体三极管的输入电阻、输出电阻,并且都可分为直流电阻(即R=U/I)、微变(交流)电阻(即R=ΔU/ΔI);
      
      高频开关电源及UPS设备中常用的MOSFET、IGBT等,其特性中含有“电阻”的参数。例如,MOSFET在开关工作状态下导通时,有通态电阻的性能[3]。
      
      ③这些器件都具有“非线性”的“阻性”特性,但是,电阻的变化现象很繁杂时,往往采用了较直观的U、I特性曲线来表示,例如,引入便于计算的电流放大倍数β等参数。这样,电阻参数常被隐蔽了(虽然不一定随时注意,但是客观存在的);
      
      ④电阻的性能之一是消耗电功率转换成热能,应用阻性器件和设备要有散热的考虑和设计。否则,容易过热和损坏,甚至烧毁、火警等。
      
      (4) 欧姆定律的应用范围
      
      ①欧姆定律公式I=U/R:适用于任何“电阻”参数的运算,即不仅适用于线性电阻,而且能计算出非线性的阻性参数的定量变化;
      
      ②建立全面的概念:不单是理解到电阻R不变时,电流I正比于电压U;还要注意到电压U不变时,电流I反比于电阻R;以及在电流I不变时,电压U正比于电阻R;
      
      ③实际应用的机动性:许多情况I、U、R三个参数都在变,可随时应用公式计算;
      
      ④欧姆定律的限制条件:电阻R不能是“负”值,也就是电阻上的电压与电流两者的方向不能相反,因为两者相反时不再是消耗电功率,而是供出电功率了。电阻不是电源,也不像电感、电容有储能、回能的作用。
      
      2  电阻变化的因素和状态
      
      (1)线性电阻
      
      电阻数值恒定的电阻,但也有因素使线性电阻变化,例如,常用的铜导线,电阻随温度变化。
      
      (2)电阻参数可变的电阻
      
      虽然稳定时工作在线性状态(工作状态电阻参数是不变的或近似不变的),但电阻数值是可变的,如电位器、可变电阻,电阻是可以人为调节的;又如白炽灯,说明如下:
      
      ①白炽灯的电阻随温度明显变化,一只灯泡的灯丝温度与电源电压相关,电源电压为额定电压时,灯丝发强光时的温度约1000℃,电阻(阻值)约增大到室温时的10倍左右;
      
      ②运行之中电源电压恒定时,可认为阻值也恒定,电源电压变动时阻值也变动;
      
      ③开灯之初,灯丝温度从低温变到高温,灯丝电阻从小变大,灯丝电流从大变小,然后达到稳定状态,也就是电灯泡在稳定发光之前,有一个极短时间内很大的冲击电流,这也是电阻的非线性现象的体现,都要用欧姆定律来分析;
      
      ④可见,线性电阻实现的条件是温度不变。
      
      (3)非线性电阻性器件
      
      ①非线性阻性器件,如日光灯、半导体器件(如二极管、稳压管、三极管、稳压管等),可在U、I直角座标的平面上,绘出各自的伏安特性曲线,用欧姆定律可求出曲线上相应各点U、I瞬时值相对应的电阻数值,可看出电阻的变化,认识“非线性阻性”的性质;
      
      ②最为重要的是“非线性阻性”类器件专有的“控制”功能,如晶体三极管是“电流控制”型器件,可用输入侧的小电流控制输出侧(流过三极管的)相对大的电流;常用电流放大倍数β来近似推算输出电流的变化量,很是方便,应用极广!
      
      ③但从输出电压和电流两者“同时”可不变、缓变和快速变化,有电功率损耗会发热(要考虑散热)的问题上,随时显示了电阻的性质。
      
      (4)非线性阻性器件的功能
      
      电功率发热(要散热),没有(电感、电容那样的)储能和回能,电压电流变化速率不限,晶体三极管是小电流控制大电流的器件,多级放大能控制大功率,可设计成线性放大器、开关变换器等。
      
      ①电阻是有电功率损耗的电参数,相应的电能转换成其它能,如热能、光能;(纯电感、纯电容没有电功率损耗,实际情况计及电功率损耗时要有相应的等效电阻)电炉、电灯都利用了能量变换。
      
      半导体器件的有利因素是变换和控制电能,变成热能的电功率是无用的损耗,要限制,还要散热。但发热,也说明了电阻特性。
      
      ②电阻没有储存电能和释放电能的作用,这是极重要的有利条件。因此,电阻的电流与电压大小变化的速率不受限制,即“不变”、“慢变”、“快变”都行。
      
      其优点是,作为主要器件随电路的设计,可用于交流或直流,开关变换或模拟(线性)放大(波形畸变小),各种波形,不同频率范围,也可宽频带响应等。电感则储能于磁场又回能于电路,电感的电流不能突变、其电压不能长期不变;电容储能于电场又回能于电路,电容的电压不能突变、其电流不能长期不变;在电路中只能起到辅助的作用。
      
      3  U、I特性只适用于“阻性”
      
      (1)U、I直角座标组成的面积内适用于绘制“阻性”参数的特性
      
      “阻性”参数的计算公式用欧姆定律R=U/I,式中只有3个参数,即在U、I直角座标组成的矩形面积内,任意一点都有确定的电压U和电流I的值,可以求出该点位置的电阻R值;在此面积上绘出的特性曲线可称为“伏安特性”,是该“阻性”器件的固有特性,也就是在实际应用中无论电压、电流在此范围内如何变化,在规定的条件下特性曲线是固定的(或变化很小的)。
      
      (2)U、I直角座标组成的面积内无法绘制“感性”参数的特性
      
      ①“感性”参数的计算公式是u=Ldi/dt,式中有4个参数,即u、L、i、t,必须有3参数已知,即必须3种参数的座标上波形有位置(有数据),才能求解此式;
      
      ②当电感量L已知时,电感上的瞬时电压u与电流的变化率di/dt成正比;不是取决于“该瞬时”的电流i、i的数值是“大”还是“小”、是“正”还是“负”,都不是决定u的因素。也就是电流的瞬时值不能肯定,无法在U、I座标上找位置;
      
      ③di/dt要在i、t两座标的面积中绘出电流瞬时值i的波形,波形上的每一点都有该点的波形(向上或向下)的斜率,这就是该点的di/dt;所以没有t座标情况下是没法表示di/dt的;
      
      ④电压u要在u、t两座标的面积上画出波形,i和u两波形的对照,才能分析非线性和相位的情况。
      
      注:电感的非线性常用磁化曲线来表示。
      
      (3)U、I座标上无法绘制“容性”的特性类似的原因,“容性”参数的计算公式是i=Cdu/dt,式中du/dt是电容电压的变化率,要有时间t的座标。
      
      注:一般的电容器非线性因素变化非常缓慢,故不需分析非线性的影响。
      
      4 多种“线性”的含义
      
      (1)电阻“分类”中的“线性”
      
      电阻参数的“线性”与“非线性”,是指电阻在工作和分析的范围内,电阻值的“不变”与“变”的分类。
      
      (2)伏安特性形状或局部形状的“线性”
      
      ①只有与“零点”相交的“斜直线”(含延长线)才是“线性”电阻的伏安特性。零点是指U、I都为零值的点,也就是电压为零时,电流也为零,此类“斜直线”上电压与电流才能成正比;不满足上述特点的“伏安特性”(或局部线段)都是“非线性电阻”的特性。
      
      ②稳压特性:电流在相应范围变化时,电压恒定(或近于恒定),在此范围内的伏安特性是与电流座标平行的直线(或近似直线),形状也是“线性”,但计算其电阻则有大范围的变化,此线段的电阻是“非线性”的;
      
      ③稳流特性:电压在相应范围变化时,电流恒定(或近于恒定),在此范围内的伏安特性是与电压座标平行的直线(或近似直线),形状也是“线性”,但计算其电阻则有大范围的变化,此线段的电阻是“非线性”的;
      
      ④晶体三极管输出侧的伏安特性,常画有多条对应于输入电流的曲线,其“线性”区,其中每一条线的“线性”部分,较近似于上述“稳流特性”,电压变时电流没有明显变化,所以采用了“电流放大倍数”β这个线性化了的参数,便于计算(实质是近似的计算);隐含着变化繁杂的“非线性电阻”这个参数。
      
      (3)放大器的工作状态的“线性”
      
      “线性”放大器也可称为“模拟”放大器,输出信号是输入信号成比例放大的,如音频放大器的工作状态。
      
      但放大器中的晶体三极管始终是可以“控制”的“非线性阻性”的工作特点。
      
      参考文献
      
      [1]黄济青.对于”非线性负载”与”感性负载”的理解[J].UPS应用2017.1P.30-35,(注:其中P.30,左列,第9行,要用钢笔将“在线性工作区”这几个字划掉).
      
      [2]谢沅清,谢月珍.电子电路基础[M].人民邮电出版社1999年9月第1版,P.1、P.10、P.23、P.24、P.25、P.33.
      
      [3]黄济青,黄小军.通信高频开关电源[M].北京机械工业出版社,2004.4,P.10、P.13.
      
      作者简介
      
      黄济青,北京邮电大学(原)电信工程学院教授,本刊编委。
      
      编辑:Harris
      
      

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