Изучение основных подходов к проектированию нелинейных электротехнических устройств в МАТЛАБ.

Задание

1. По заданной вольт-амперной характеристике электронного устройства построить математическую модель преобразования электрических параметров устройства.
2. По построенной математической модели построить Simulink-модель преобразования электрических параметров в устройстве.
3. Используя блоки Simulink и Sim Power Systems: In, Out, Voltage Measurement, Controlled Current Source, Series RLC Branch, Fcn, Transfer Fcn, Integrator построить Simulink-модель электротехнического устройства.
4. Провести ряд численных экспериментов с построенной Simulink-моделью.


 
1. Нелинейные резисторы

Полупроводниковые нелинейные резисторы – изделия электронной техники, основное свойство которых, в отличие от линейных резисторов, заключается в способности изменять свое сопротивление под действием внешних факторов: температуры, напряжения, магнитного поля и освещения. В зависимости от воздействующего фактора они получили следующие названия: терморезисторы, варисторы, магниторезисторы и фоторезисторы, соответственно. В таких резисторах применяется полупроводник, равномерно легированный примесями. В зависимости от типа примеси и конструкции резистора удается получить различные зависимости сопротивления от управляющих параметров.
Наибольшее распространение в сетях энергоснабжения получили варисторы. Варистором называют полупроводниковый резистор, обладающий свойством уменьшения сопротивления полупроводника при увеличении приложенного напряжения. Варисторы обладают высоким омическим сопротивлением, составляющим сотни мегаом, и включаются в электрическую цепь параллельно питающему напряжению и нагрузке. Они работают в диапазоне напряжений от 4 до 1500 В постоянного или переменного тока и рассчитаны на определенное рабочее напряжение.
Варисторы применяются для защиты электрических цепей от кратковременного превышения напряжения выше допустимого значения. Варистор включается параллельно защищаемой цепи. Принцип действия варистора заключается в следующем. В рабочем режиме (в отсутствии импульсных напряжений, превышающих рабочее напряжение) варистор всегда находится под напряжением защищаемого устройства, через него протекает пренебрежимо малый ток (варистор представляет собой изолятор – разрыв в цепи). Этому режиму соответствует начальный участок ВАХ варистора, практически совпадающий с осью абсцисс (рис. 1).

Рис. 1. ВАХ варистора

При возникновении импульса напряжения варистор в силу нелинейности своей характеристики резко уменьшает свое сопротивление до долей Ома и шунтирует (закорачивает) нагрузку, защищая ее, и рассеивая поглощенную энергию в виде тепла. В этом случае через варистор кратковременно может протекать ток, достигающий нескольких тысяч ампер. Так как варистор практически безынерционен, то после гашения импульса напряжения он вновь приобретает очень большое сопротивление. Таким образом, включение варистора параллельно электрооборудованию не влияет на его работу в нормальных условиях, но "срезает" импульсы опасного напряжения.
Так как варистор обладает большим быстродействием (не более 25 нс), то после прекращения скачков напряжения он быстро восстанавливает свое сопротивление до номинального значения и питающее напряжение опять поступает на оборудование.
При длительном воздействии повышенным напряжением варистор может перегреться и выйти из строя из-за превышения максимально допустимого тока. Геометрические размеры и мощность варистора играют значительную роль, так как общая площадь его поверхности имеет пропорциональное влияние на эффективность рассеивания энергии бросков напряжения и удержание пиковых токов нагрузки без угрозы быть поврежденным. Поэтому на корпусе зарубежных и некоторых отечественных