Что такое гистерезис в электронике. Гистерезис в электронике: явление, причины и применение

Что такое гистерезис в электронике простыми словами. Как возникает явление гистерезиса. Какие существуют виды гистерезиса. Где применяется гистерезис в электронике и технике. Почему важно учитывать гистерезис при проектировании устройств.

Что такое гистерезис в электронике

Гистерезис в электронике — это явление, при котором выходной сигнал системы зависит не только от текущего входного сигнала, но и от предыдущих состояний системы. Другими словами, система «запоминает» свою историю. Название происходит от греческого слова «отставание», что отражает суть явления — запаздывание реакции на изменение воздействия.

Наиболее ярко гистерезис проявляется в ферромагнитных материалах при их намагничивании. Если построить график зависимости намагниченности от напряженности внешнего магнитного поля, то получится характерная петля гистерезиса.

Причины возникновения гистерезиса

Основные причины возникновения гистерезиса в электронных системах:

• Доменная структура ферромагнетиков. При намагничивании домены ориентируются по полю не сразу, а постепенно, с запаздыванием.
• Остаточная намагниченность. После снятия внешнего поля часть доменов остается ориентированной.
• Коэрцитивная сила. Для размагничивания требуется приложить поле противоположного направления.
• Неоднородность материала, примеси, дефекты кристаллической решетки.
• Тепловые эффекты при перемагничивании.

Виды гистерезиса в электронике

Можно выделить следующие основные виды гистерезиса, встречающиеся в электронных системах:

Магнитный гистерезис

Наблюдается в ферромагнитных материалах при циклическом перемагничивании. Характеризуется петлей гистерезиса в координатах B (магнитная индукция) — H (напряженность магнитного поля).

Электрический гистерезис

Проявляется в сегнетоэлектриках при изменении напряженности электрического поля. Аналогичен магнитному гистерезису.

Упругий гистерезис

Наблюдается при циклическом деформировании материалов. График зависимости деформации от приложенного напряжения образует петлю гистерезиса.

Применение гистерезиса в электронике и технике

Несмотря на то, что гистерезис часто является нежелательным эффектом, он находит широкое применение в различных областях техники:

• Устройства памяти. Магнитные носители информации используют остаточную намагниченность для хранения данных.
• Реле и переключатели. Гистерезис обеспечивает четкое переключение без «дребезга» контактов.
• Термостаты и регуляторы. Петля гистерезиса позволяет избежать частых включений/выключений.
• Гистерезисные двигатели. Используют явление гистерезиса для создания вращающего момента.
• Системы автоматического управления. Гистерезис помогает стабилизировать работу систем.

Влияние гистерезиса на работу электронных устройств

Гистерезис может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на работу электронных устройств:

Положительные эффекты:

• Стабилизация работы систем автоматического регулирования
• Подавление шумов и помех в схемах
• Обеспечение четкого переключения в релейных схемах
• Возможность создания энергонезависимой памяти

Отрицательные эффекты:

• Потери энергии на перемагничивание в трансформаторах и электродвигателях
• Искажение формы сигналов в усилителях
• Ошибки измерения в датчиках
• Нелинейные искажения в аудиосистемах

Методы измерения и анализа гистерезиса

Для исследования гистерезиса в электронных системах применяются следующие методы:

• Осциллографические методы. Позволяют наблюдать петлю гистерезиса на экране осциллографа.
• Баллистический метод. Основан на измерении количества электричества, индуцированного в измерительной катушке при перемагничивании образца.
• Вибрационный магнитометр. Измеряет магнитный момент образца, колеблющегося в магнитном поле.
• Метод вращающегося магнитного поля. Позволяет исследовать анизотропию магнитных свойств.
• Компьютерное моделирование. Дает возможность анализировать сложные системы с гистерезисом.

Математическое описание гистерезиса

Существует несколько подходов к математическому описанию гистерезиса:

• Феноменологические модели (модель Прейзаха, модель Джилса-Атертона)
• Физические модели (теория Нееля, модель Стонера-Вольфарта)
• Модели на основе дифференциальных уравнений (модель Дуффинга, модель Ван дер Поля)
• Операторные модели (модель Красносельского-Покровского)

Выбор конкретной модели зависит от исследуемой системы и требуемой точности описания.

Способы минимизации нежелательного гистерезиса

В ряде случаев гистерезис является нежелательным эффектом. Для его минимизации применяются следующие методы:

• Использование материалов с узкой петлей гистерезиса
• Применение размагничивающих устройств
• Компенсация гистерезиса с помощью обратной связи
• Использование методов цифровой обработки сигналов
• Оптимизация конструкции устройств для уменьшения влияния гистерезиса

Заключение

Гистерезис является важным явлением в электронике, которое необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации различных устройств. Понимание причин возникновения гистерезиса и методов его анализа позволяет эффективно использовать его положительные свойства и минимизировать негативные эффекты. Дальнейшие исследования в этой области открывают новые возможности для создания инновационных электронных устройств и систем.

Гистерезис

Пример HTML-страницы

Гистерезис в общем понятии (от греческого – отстающий) — это свойство определенных физических, биологических и иных систем, которые реагируют на соответствующие воздействия с учетом текущего состояния, а также предыстории.

Гистерезис характерен т.н. «насыщением», и различными траекториями соответствующих графиков, отмечающих состояние системы в данный момент времени. Последние, в итоге, имеют форму остроугольной петли.

Если же рассматривать конкретно электротехнику, то каждый электромагнитный сердечник после окончания воздействия электрического тока в течение некоторого времени сохраняет собственное магнитное поле, называемое остаточным магнетизмом.

Его величина зависит, прежде всего, от свойств материала: у закаленной стали она существенно выше, чем у мягкого железа.

Но, в любом случае, явление остаточного магнетизма всегда присутствует при перемагничивании сердечника, когда необходимо размагнитить его до нуля, а затем изменить полюс на противоположный.

Любое изменение направления тока в обмотке электромагнита предусматривает (из-за наличия вышеуказанных свойств материала) предварительное размагничивание сердечника. Только после этого он может поменять свою полярность — это известный закон физики.

Для перемагничивания в обратном направлении необходим соответствующий магнитный поток.

Другими словами: изменение магнитной индукции сердечника не «поспевает» за соответствующими изменениями магнитного потока, которое оперативно создает обмотка.

Вот эта временная задержка намагничивания сердечника от изменений магнитных потоков и получило название в электротехнике как гистерезис.

Каждое перемагничивание сердечника предусматривает избавление от остаточного магнетизма путем воздействия противонаправленным магнитным потоком. На практике это приводит к определенным потерям электроэнергии, которые тратятся на преодоление «неправильной» ориентации молекулярных магнитиков.

Последние проявляются в виде выделения тепла, и представляют так называемые затраты на гистерезис.

Таким образом, стальные сердечники, например, статоров или якорей электродвигателей или генераторов, а также силовых трансформаторов, должны иметь по возможности наименьшую корреляционную силу. Это позволит снизить гистерезисные потери, повысив в итоге КПД соответствующего электрического агрегата или прибора.

Сам процесс намагничивания определяется соответствующим графиком – так называемой петлей гистерезиса. Она представляет замкнутую кривую, отображающую зависимость скорости намагничивания от изменения динамики напряженности внешнего поля.

Большая площадь петли подразумевает, соответственно, и большие затраты на перемагничивание.

Также практически во всех электронных приборах наблюдается и такое явление, как тепловой гистерезис – невозвращение после прогрева аппаратуры к изначальному состоянию.

В электротехнике и электронике явление гистерезиса используется в различных магнитных носителях информации (например, триггерах Шмидта), или в специальных гистерезисных электродвигателях.

Широкое распространение этот физический эффект нашел также в различных устройствах, предназначенных для подавления различных шумов (дребезг контактов, быстрые колебания и т. п.) в процессе переключения логических схем.

ГИСТЕРЕЗИС • Большая российская энциклопедия

В экономике

Некоторые экономические системы проявляют признаки гистерезиса: например, могут потребоваться значительные усилия, чтобы начать экспорт в какой-либо отрасли, но для его поддержания на постоянном уровне — небольшие.

В теории игр эффект гистерезиса проявляется в том, что небольшие отличия по одному или нескольким параметрам приводят две системы в противоположные стабильные равновесия, например, «хорошее» — доверие, честность и высокое благосостояние; и «плохое» — воровство, недоверие, коррупция и бедность. Несмотря на небольшие первоначальные различия, системы требуют огромных усилий для перехода из одного равновесия в другое.

Эффект гистерезиса — состояние безработицы; достигнув достаточно высокого уровня, она может в определенной мере самовоспроизводиться и удерживаться на нём. Экономические причины гистерезиса (долгосрочной негибкости рынка труда) неоднозначны. Некоторые институциональные факторы ведут к гистерезису. Например, социальное страхование, особенно страхование по безработице, может через налоговую систему снижать спрос фирм на рабочую силу в официальной экономике.

Безработица может вести к потере человеческого капитала и к «помечиванию» тех, кто долгое время остается безработным. Профсоюзы могут вести переговоры с целью поддерживать благосостояние их настоящих членов, игнорируя интересы аутсайдеров, оказавшихся безработными. Фиксированные издержки, связанные со сменой должности, места работы или отрасли, также могут приводить к гистерезису.

Наконец, возможны трудности при различении реальных и кажущихся явлений гистерезиса, когда конечное состояние системы определяется её текущей динамикой или её начальным состоянием. В первом случае гистерезис отражает наше незнание: добавив недостающие переменные и информацию, можно более полно описать эволюцию изучаемой системы. Др. интерпретация явления гистерезиса — простое существование нескольких состояний равновесия, когда невидимые воздействия перемещают экономику из одного состояния равновесия в др.

Теория гистерезиса

Стоит учитывать, что явление магнитного гистерезиса происходит также при вращении поля Н, а не только при его изменении по знаку и величине. Называется это гистерезисом магнитного вращения и соответствует изменению направления намагниченности М с изменением направления поля Н. Возникновение гистерезиса магнитного вращения наблюдается также при вращении исследуемого образца относительно фиксированного поля Н.

Кривая намагничивания характеризует также магнитную структуру домена. Структура изменяется при прохождении процессов намагничивания и перемагничивания. Изменения зависят от того, насколько смещаются границы доменов, от воздействий внешнего магнитного поля. Абсолютно все, что способно задержать все процессы, описанные выше, переводит ферромагнетики в нестабильное состояние и является причиной того, что возникает гистерезис магнитный.

Нужно учесть, что гистерезис зависит от множества параметров. Намагниченность меняется под воздействием внешних факторов – температуры, упругого напряжения, следовательно, возникает гистерезис. При этом появляется гистерезис не только намагниченности, но и всех тех свойств, от которых он зависит. Как можно видеть отсюда, явление гистерезиса можно наблюдать не только при намагничивании материала, но и при других физических процессах, связанных прямо или косвенно с ним.

Погрешность

В электронике гистерезис может и навредить работе некоторых приборов. Такой эффект называется погрешность (ошибка) гистерезиса. Часто такой эффект можно наблюдать у датчика движения. Например, при движении объекта из точки А к точке Б датчик срабатывает в течение 1 секунды. А при движении в обратном направлении с сохранением траектории, датчик включается с замедлением 2 секунды. Причина этого явления кроется в разности выходных сигналов для входных сигналов, которые отличаются величиной при убывании и возрастании. При перемещении из точки А к точке Б величина входящего сигнала имеет разницу 30 МБ от величины того же сигнала при перемещении в обратном направлении. При учете чувствительности датчика 15 МБ/мм, гистерезис составит 3 мм. Разница величины сигнала зависит от изменения температуры воздуха, внешних помех, эффекта трения или дребезга контактов.

Петля — магнитный гистерезис

Магнитнотвердые материалы, из которых изготовляют постоянные магниты, характеризуются широкой петлей магнитного гистерезиса ( большой коэрцитивной силой Яс) и малой магнитной пр.  

Рабочий участок петлн гистерезиса.

Мапштотвердые материалы, из которых изготовляют постоянные магниты, характеризуются широкой петлей магнитного гистерезиса ( большой коэрцитивной силой Нс) и малой магнитной проницаемостью. Для них важнейшей характеристикой является участок нисходящей ветви петли магнитного гистерезиса, заключенный между значениями Вг ( остаточная индукция) и Нс. Этот участок называется кривой размагничивания. Данные по маг-нитотвердым материалам, характеризующие их основные параметры, приведены в специальных справочниках, ГОСТах, технических условиях. Эти величины представляют собой нижнюю границу соответствующего параметра. Разрежем тороид поперек и разведем его половины друг от друга. Магнитный поток должен пройти не только по материалу образца, но и через воздушный промежуток.  

Величина этих потерь энергии тем больше, чем больше площадь, ограниченная петлей магнитного гистерезиса.  

В уравнении (5.87) и последующих выражениях учтено, что для рассматриваемого участка петли магнитного гистерезиса напряженность поля имеет отрицательный знак. Поэтому значения должны подставляться как положительные величины.  

Петля гистерезиса.| Основная кривая намагничивания.| Основная кривая намагничивания, полученная путем соединения верхушек семейства петель гистерезиса.

В ] и до ее значения В2 — Кривая такого типа называется петлей магнитного гистерезиса.  

Магнитно-твердые материалы имеют большие значения остаточной магнитной индукции и коэрцитивной силы, широкую петлю магнитного гистерезиса.  

Перемагннчивание однодоменных частиц осуществляется за счет вращения векторд намагниченности, В этом случае петля магнитного гистерезиса частицы в координатах М — Н имеет прямоугольный вид и коэрцитивная сила по намагниченности совпадает по величине с полем анизотропии.  

В области высокочастотной дисперсии имеют место спад индукции ( рис. 2) и уменьшение площади петли магнитного гистерезиса с увеличением частоты. Наибольший спад составляющих комплексной магнитной проницаемости, индукции и уменьшение площади петли магнитного гистерезиса с увеличением частоты наблюдаются при том же содержании СоО ( 1 мол. Это свидетельствует о том, что изменение указанных параметров вызвано одним и тем же механизмом, видимо магнитным последействием, обусловленным диффузионными процессами.  

Кривая размагничивания.

Постоянные магниты, обладающие свойством длительно сохранять остаточную намагниченность, изготовляются из магнитно-твердых материалов, характеризующихся широкой петлей магнитного гистерезиса и обладающих в намагниченном состоянии большим запасом магнитной энергии. Намагниченный до насыщения тороидальный образец при отсутствии тока в намагничивающей катушке имеет остаточную индукцию Вг.  

Целью работы являются ознакомление с доменной структурой и процессами технического намагничивания ферромагнетиков, а также измерение основных характеристик петли магнитного гистерезиса в помощью магнитооптического эффекта Фарадея.  

На рис. 1.24 показана последовательность изменения поля ролика подшипника, соответствующего его различным магнитным состояниям, определяемым по петле магнитного гистерезиса ролика. Однако при изучении картины поля следует учитывать, что распределение магнитных силовых линий вокруг ролика зависит от его намагниченности, предыдущего магнитного состояния, значения поля электромагнита и размагничивающего поля ролика.  

К вопросу об определении потерь энергии в ферромагнитном сердечнике.

Кривая намагничивания

Кривая намагничивания. Это важнейшая характеристика магнитных материалов, она показывает зависимость намагниченности или магнитной индукции материала от напряженности внешнего поля Н. Магнитная индукция материала Bi измеряется в теслах (Тл) и связана с намагниченностью. Основная (коммутационная) кривая намагничивания представляет собой геометрическое место вершин петель гистерезиса, полученных при циклическом перемагничивании и отражает изменение магнитной индукции В в зависимости от напряженности магнитного поля Н, которое создается в материале при намагничивании. Напряженность магнитного поля в образце в виде тороида, когда магнитная цепь замкнута, равна напряженности внешнего поля Нв. В разомкнутой магнитной цепи на концах образца появляются магнитные полюса, создающие размагничивающее поле Нр. Разница между магнитными напряженностями внешнего и размагничивающего полей определяют внутреннюю магнитную напряженность Hi материала. Основная кривая намагничивания имеет ряд характерных участков, которые можно условно выделить при намагничивании монокристалла ферромагнетика. Первый участок кривой намагничивания соответствует процессу смещения границ менее благоприятно ориентированных доменов. На втором участке происходит поворот векторов намагниченности доменов в направлении внешнего магнитного поля. Третий участок соответствует парапроцессу, т.е. завершающему этапу процесса намагничивания, когда сильное магнитное поле поворачивает в направлении своего действия не сориентированные магнитные моменты доменов ферромагнетика.

Гистерезис происходит от греческого слова, означающего запаздывание или отставание. С данным понятием связана такая физическая величина, как петля гистерезиса, определяющая одну из характеристик тела. Она определенным образом связана также и с физическими величинами, характеризующими внешние условия, такие как магнитное поле.

Этимология и история

Термин «гистерезис» получен из, древнегреческое значение слова «дефицит» или «отставание». Это было выдумано приблизительно в 1890 сэром Джеймсом Альфредом Юингом, чтобы описать поведение магнитных материалов.

Некоторая ранняя работа над описанием гистерезиса в механических системах была выполнена Джеймсом Клерком Максвеллом

Впоследствии, гистерезисные модели получили значительное внимание в работах Ференца Прейсака (модель Прейсака гистерезиса), Луи Неель и Д. Х

Эверетт в связи с магнетизмом и поглощением. Более формальная математическая теория систем с гистерезисом была развита в 1970-х группой российских математиков во главе с Марком Крэснозел’скием. Он предложил расследование явлений гистерезиса, используя теорию нелинейных операторов.

Петля гистерезиса

На графике зависимости М от Н можно видеть:

1. Из нулевого состояния, при котором М=0 и Н=0, с увеличением Н растет и М.
2. Когда поле увеличивается, то намагниченность становится практически постоянной и равна значению насыщения.
3. При уменьшении Н происходит обратное изменение, но вот когда Н=0, намагниченность М не будет равна нулю. Это изменение можно видеть по кривой размагничивания. И когда Н=0, М принимает значение, равное остаточной намагниченности.
4. При увеличении Н в интервале –Нт… +Нт происходит изменение намагниченности вдоль третьей кривой.
5. Все три кривые, описывающие процессы, соединяются и образуют своеобразную петлю. Она-то и описывает явление гистерезиса – процессы намагничивания и размагничивания.

Особенности физического явления

Мы же остановимся именно на гистерезисе в электронной технике, связанным с магнитными процессами в различных веществах. Он показывает, как себя ведет тот или другой материал в электромагнитном поле, а это тем самым позволяет строить графики зависимости и снимать какие-то показания сред, в которых находятся эти самые материалы. Например, этот эффект используется в работе терморегулятора.

Рассматривая более подробно понятие гистерезиса и эффект с ним связанный, можно заметить такую особенность. Вещество, обладающее такой особенностью, способно переходить в насыщение. То есть, это то состояние, при котором оно больше не способно накапливать в себе энергию. А при рассмотрении процесса на примере ферромагнитных материалов энергия выражается намагниченностью, которая возникает благодаря имеющейся магнитной связи между молекулами вещества. А они создают магнитные моменты – диполи, которые в обычном состоянии направлены хаотически.

Намагниченность в данном случае – это принятие магнитными моментами определенного направления. Если же они направлены хаотически, то ферромагнетик считается размагниченным. Но когда диполи направлены в одну сторону, то материал намагничен. По степени намагниченности сердечника катушки можно судить о величине магнитного поля, создаваемого током, протекающим по ней.

Мастерам на все руки будет интересна статья о том, как самостоятельно подключить ходовые огни.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Объясните, почему ферромагнетики при циклическом перемагничивании нагреваются тем больше, чем ярче у них выражен гистерезис.

Решение

Рассмотрим ферромагнетик, гистерезис которого представлен рис.2. При увеличении индукции от до совершается работа, которая равна площади, ограниченной ветвью кривой намагничивания 1, то есть площади . При размагничивании до исходного состояния возвращаемая работа равна площади , которая имеет, очевидно меньшую величину. Так, при полном цикле перемагничивания нашего ферромагнетика на каждую единицу объема вещества вводится энергия, равна W, причем: где S — площадь петли гистерезиса. Данная энергия тратится на выполнение работы против коэрцитивных сил в ферромагнетике и в результате переходит в теплоту. Следовательно, ферромагнетики нагреваются тем больше, чем сильнее у них проявляется гистерезис.

ПРИМЕР 2

Задание

Зачем тепло гистерезиса учитывают при расчете электрических приборов и устройств?

Решение

Тепло гистерезиса необходимо учитывать при расчете разных электрических устройств, если они содержат ферромагнетики, которые в ходе работы устройства подвержены перемагничиванию. (см. пример 1). Примерами подобных устройств являются железные сердечники трансформаторов, железные якори генераторов постоянного тока. Существование гистерезиса в них ведет к тому, что происходит бесполезная затрата энергии, выделяющаяся в виде теплоты, что понижает коэффициент полезного действия приборов и установок. Для уменьшения ненужных трат используют сорта мягкого железа, у которых петли гистерезиса минимальны, то есть гистерезис проявляется слабо.

В электротехнике есть разные приборы, принцип работы которых основан на электромагнитных явлениях. Где есть сердечник, на котором намотана катушка из проводящего материала, например, меди, наблюдаются взаимодействия за счёт магнитных полей. Это реле, пускатели, контакторы, электродвигатели и магниты. Среди характеристик сердечников есть такая характеристика как гистерезис. В этой статье мы рассмотрим, что это такое, а также какаие польза и вред от данного явления.

Дополнительные соображения

Модели гистерезиса

каждого предмета, который включает гистерезис, есть модели, которые являются определенными для предмета. Кроме того, есть модели, которые захватили общие особенности многих систем с гистерезисом. Пример — модель Preisach гистерезиса, который представляет нелинейность гистерезиса как линейное суперположение квадратных петель, названных неидеальными реле. Много сложных моделей гистерезиса являются результатом простой параллельной связи, или суперположение, элементарных перевозчиков гистерезиса назвало hysterons.

Простое параметрическое описание различных гистерезисных петель может быть найдено в модели Lapshin гистерезиса. Наряду с классической петлей (см. число в верхней части страницы), заменой прямоугольника, треугольник или трапециевидный пульс вместо гармонических функций также позволяют кусочно-линейные петли гистерезиса (см. пример Электронной схемы), часто используемый в дискретной автоматике, которая будет построена в модели. Есть внедрение модели гистерезиса на языке программирования R (Гистерезис пакета).

Модель Бук-Вэня гистерезиса часто используется, чтобы описать нелинейные гистерезисные системы. Это было введено Bouc и расширено Вэнем, который продемонстрировал его многосторонность, произведя множество гистерезисных образцов. Эта модель в состоянии захватить в аналитической форме, диапазоне форм гистерезисных циклов, которые соответствуют поведению широкого класса hysteretical систем; поэтому, учитывая его versability и математический tractability, модель Бук-Вэня быстро завоевала популярность и расширялась и относилась большое разнообразие технических проблем, включая системы много степени свободы (MDOF), здания, структуры, двунаправленный и относящийся к скручиванию ответ гистерезисных систем два — и трехмерные континуумы и сжижение почвы среди других. Модель Бук-Вэня и ее варианты/расширения использовались в применениях структурного контроля, в особенности в моделировании поведения magnetorheological увлажнителей, основных устройств изоляции для зданий и других видов демпфирования устройств; это также было в моделировании и анализе структур, построенных из железобетона, стали, каменной кладки и древесины.

Энергия

Когда гистерезис происходит с обширными и интенсивными переменными, работа, сделанная на системе, является областью под графом гистерезиса.

Механизм возникновения петли гистерезиса

Сам по себе гистерезис представляет собой кривую, отображающую измененный магнитный момент вещества, на которое воздействует периодически изменяющаяся напряженность поля. Когда магнитное поле воздействует на ферромагнетики, то изменение их магнитного момента наступает не сразу, а с определенной задержкой.

В каждом ферромагнетике изначально присутствует самопроизвольная намагниченность. Сам материал включает в свой состав отдельные фрагменты, каждый из которых обладает собственным магнитным моментом. При направленности этих моментов в разные стороны, значение суммарного момента оказывается равным нулю в результате взаимной компенсации.

Если на ферромагнетик оказать воздействие магнитным полем, то все моменты, присутствующие в отдельных фрагментах (доменах) будут развернуты вдоль внешнего поля. В итоге, в материале образуется некоторый общий момент, направленный в одну сторону. Если внешнее действие поля прекращается, то домены не все окажутся в изначальном положении. Для этого потребуется воздействие достаточно сильного магнитного поля, предназначенного для разворота доменов. Такому развороту создают препятствия наличие примесей и неоднородность материала. Поэтому материал имеет некоторую остаточную намагниченность, даже при отключенном внешнем поле.

Для снятия остаточного магнитного момента, необходимо приложение действия поля в противоположном направлении. Напряженность поля должна иметь величину, достаточную, чтобы выполнить полное размагничивание материала. Такая величина известна как коэрцитивная сила. Дальнейшее увеличение магнитного поля приведет к перемагничиванию ферромагнетика в противоположную сторону.

Когда напряженность поля достигает определенного значения, материал становится насыщенным, то есть магнитный момент больше не увеличивается. При снятии поля вновь наблюдается наличие остаточного момента, который снова можно убрать. Дальнейшее увеличение поля приводит к попаданию в точку насыщения с противоположным значением.

Таким образом, на графике появляется петля гистерезиса, начало которой приходится на нулевые значение поля и момента. В дальнейшем, первое же намагничивание выводит начало петли гистерезиса из нуля и весь процесс начинает происходить по графику замкнутой петли.

Биологические и физические системы способны мгновенно откликаться на приложенное к ним воздействие. Если рассмотреть это явление на временной оси координат, то становится заметно, что отклик зависит от предыстории системы и ее текущего состояния. График, который наглядно демонстрирует это свойство систем, получил название петли гистерезиса, которая отличается остроугольной формой.

Оригинальная форма петли обусловлена эффектом насыщения и неравномерностью траектории между соседними расстояниями. Эффект гистерезиса имеет кардинальные отличия от инерционности, с которой его часто путают, забывая о том, что монотонное сопротивление существенно отличается от мгновенного сопротивления на воздействие.

Петля гистерезиса является циклом, в ходе которого часть свойств системы используются независимо от воздействий, а часть – отправляется на повторную проверку.

Другие свойства

Кроме магнитного гистерезиса, также различают гальвономагнитный и магнитострикционный эффекты

. В этих процессах наблюдается изменение электрического сопротивления за счет механической деформации материала. Сегнетоэлектрики под действием деформационных сил способны вырабатывать электрический ток, что объясняется пьезоэлектрическим гистерезисом. Также существует понятие электрооптического и двойного диэлектрического гистерезиса. Последний процесс имеет обычно наибольший интерес, так как сопровождается двойным графиком в зонах, приближающихся к точкам насыщения.

Гистерезис определение относится не только к ферромагнетикам, применяемым в электронике. Такой процесс может происходить и в термодинамике

. Например, при организации отопления от газового или электрического котла. Регулирующим компонентом в системе является терморегулятор. Но только контролируемой величиной является температура воды в системе.

При ее снижении до заданного уровня котел включается, начиная подогрев до заданной величины. После чего выключается и процесс повторяется в цикле. Если снять показания температуры при нагреве и остывании системы при каждом цикле включения и выключения отопления, то получиться график в виде петли гистерезиса, который и получил название гистерезис котла.

В таких системах гистерезис выражается в температуре

. Например, если он составляет 4°С, а температура теплоносителя установлена 18°С, то котел выключится, когда она достигнет значения 22°С. Таким образом, можно настроить любой приемлемый температурный режим в помещениях. А терморегулятор является, по сути, датчиком температуры или термостатом, который включает или выключает отопления при достижении нижнего и верхнего порога, соответственно.

Чтобы лучше понять, что такое магнитный гистерезис, нужно разобраться, где и при каких условиях он возникает.

Гистерезис в электронике

В электронных устройствах гистерезис несёт в основном полезные функции. Допустим это используется в пороговых элементах, например, компараторах и триггерах Шмидта. Ниже вы видите график его состояний:

Это нужно в тех случаях, чтобы устройство сработало при достижении сигнала X, после чего сигнал может начать уменьшаться и устройство не отключилось до тех пор, пока сигнал не упадет до уровня Y. Такое решение используется для подавления дребезга контакта, помех и случайных всплесков, а также в различных регуляторах.

Например, термостат или регулятор температуры. Обычно его принцип действия заключается в том, чтобы отключить нагревательный (или охладительный) прибор в тот момент, когда температура в помещении или другом месте достигла заданного уровня.

Рассмотрим два варианта работы кратко и просто:

1. Без гистерезиса. Включение и отключение при заданной температуре. При этом здесь есть нюансы. Если вы установили регулятор температуры на 22 градуса и обогреваете комнату до этого уровня, то как только в комнате будет 22 он выключится, а когда вновь опустится до 21 – включится. Это не всегда правильное решение, потому что ваш управляемый прибор будет слишком часто включаться и отключаться. К тому же в большинстве бытовых и многих производственных задачах нет нужды настолько четкой поддержки температуры.
2. С гистерезисом. Чтобы сделать некий зазор в допустимом диапазоне регулируемых параметров применяют гистерезис. То есть, если вы установили температуру в 22 градуса, то, как только она будет достигнута, обогреватель отключится. Допустим, что гистерезис в регуляторе установлен на зазор в 3 градуса, то обогреватель вновь заработает только тогда, когда температура воздуха опустится до 19 градусов.

Иногда этот зазор регулируется на ваше усмотрение. В простых исполнениях используются биметаллические пластины.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео, в котором рассказывается, что такое гистерезис и как его можно использовать:

Мы рассмотрели явление и применение гистерезиса в электрике. Итог следующий: в электроприводе и трансформаторах он несет пагубный эффект, а в электронике и разнообразных регуляторах находит и полезное применение. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной и интересной!

Определение понятия

У слова «Гистерезис» греческие корни, оно переводится как запаздывающий или отстающий. Этот термин используется в разных сферах науки и техники. В общем смысле понятие гистерезис отличает различное поведение системы при противоположных воздействиях.

Это можно сказать и более простыми словами. Допустим есть какая-то система, на которую можно влиять в нескольких направлениях. Если при воздействии на неё в прямом направлении, после прекращения система не возвращается в исходное состояние, а устанавливается в промежуточном — тогда чтобы вернуть в исходное состояние нужно воздействовать уже в другом направлении с какой-то силой. В этом случае система обладает гистерезисом.

Иногда это явление используется в полезных целях, например, для создания элементов, которые срабатывают при определённых пороговых значениях воздействующих сил и для регуляторов. В других случаях гистерезис несёт пагубное влияние, рассмотрим это на практике.

Однодоменные ферромагнетики

В том случае, если частицы имеют различный размер, протекает процесс вращения. Происходит это по причине того, что образование новых доменов невыгодно с энергетической точки зрения. Но процессу вращения частиц мешает анизотропия (магнитная). Она может иметь разное происхождение – образовываться в самом кристалле, возникать вследствие упругого напряжения и т. д.). Но именно при помощи этой анизотропии намагниченность удерживается внутренним полем. Его еще называют эффективным полем магнитной анизотропии. И гистерезис магнитный возникает вследствие того, что намагниченность изменяется в двух направлениях – прямом и обратном. Во время перемагничивания однодоменных ферромагнетиков происходит несколько скачков. Вектор намагниченности М разворачивается в сторону поля Н. Причем поворот может быть однородным или неоднородным.

Гистерезис в аналоговых схемах: сравнение компараторов и операционных усилителей | Блог Advanced PCB Design

 

Гистерезис — одно из тех понятий с причудливым названием и обманчиво простым значением. Многие физические системы, в том числе множество электронных компонентов, имеют гистерезис. По существу, состояние системы зависит от событий, которые происходили в системе во все предыдущие моменты времени. Хотя это может показаться странным явлением, это обычное явление и очень полезно в различных электронных схемах. Вы можете воспользоваться преимуществами гистерезиса в аналоговых схемах и даже встроить гистерезис в свои схемы, используя обратную связь и насыщение, предоставляя множество полезных функций.

Что такое явления гистерезиса

Явление гистерезиса возникает, когда ферромагнитные материалы намагничиваются в одном направлении; даже когда наложенное намагничивающее поле удаляется, ферромагнитные материалы не возвращаются к нулевой намагниченности. Поскольку материал может вернуться к нулю только с помощью поля в противоположном направлении, возникает недостаток прослеживаемости, известный как гистерезис.

Когда это происходит, приложение переменного магнитного поля приводит к образованию петли гистерезиса. Поскольку в ферромагнитных материалах это явление происходит предсказуемо, его можно использовать в качестве прогнозирующего или стабилизирующего механизма. Это связано с тем, что некоторые ферромагнитные материалы сохраняют намагниченность.

Пример: операционные усилители в сравнении с компараторами

Гистерезис в аналоговых схемах полезен для управления переключением в схемах с насыщением (т. е. на транзисторах), хотя в некоторых схемах это нежелательно. Например, гистерезис может быть специально добавлен в схему компаратора, поскольку его можно использовать для установки коэффициента заполнения формы выходного сигнала.

Если это звучит странно, то вы можете рассмотреть два основных (и, казалось бы, эквивалентных) компонента: компараторы и операционные усилители.

Обратите внимание, что операционный усилитель можно использовать в качестве компаратора, но не все компараторы действуют как усилители, поэтому эти два термина иногда используются как синонимы. Гистерезис играет важную роль в обеих схемах, и понимание этих схем дает разработчикам схем основу для понимания использования гистерезиса в более сложных схемах.

Если мы сравним две распространенные ИС с этими компонентами (LM324 и LM339), станет легче увидеть, как гистерезис играет роль в некоторых аналоговых схемах и может использоваться для управления желаемым режимом переключения в этих схемах.

 

Схемы выводов операционного усилителя (LM324) и компаратора (LM339)

 

Несмотря на то, что условные обозначения и схемы выводов аналогичны, выходной каскад компаратора представляет собой открытый коллектор (заземленный эмиттер). Это означает, что выход компаратора оптимизирован для насыщения, поэтому компаратор действительно является 1-разрядным АЦП.

Напротив, выходной каскад операционного усилителя оптимизирован для линейной работы как инвертирующий или неинвертирующий элемент с усилением.

Поскольку входной аналоговый сигнал постоянно изменяется на входах в любой из цепей, это приводит к переключению на выходе. Выход может переключаться при различных входных напряжениях при наличии гистерезиса. Эта разница видна, когда сравниваются выходные данные с ростом или падением входных данных. Аналогичное поведение можно наблюдать при наличии гистерезиса в аналоговых цепях с другими элементами, особенно в нелинейных цепях с насыщением.

Гистерезис в операционном усилителе

Подобно тому, как положительная обратная связь создает гистерезис в компараторе, она делает то же самое и в операционном усилителе. Это формирует схему триггера Шмитта. Обратите внимание, что если операционный усилитель приводится в насыщение по схеме с обратной связью (т. е. с гистерезисом благодаря контуру обратной связи), то выходной сигнал также может насыщаться и выполнять ту же функцию, что и компаратор, хотя основные производители рекомендуют, чтобы этого не делать.

Это связано с тем, что время восстановления усилителя обычно не рассчитано на конкретное значение в обычных операционных усилителях, включая LM324.

Гистерезис в компараторе

Гистерезис важен для стабильного переключения в схеме компаратора. Этот гистерезис добавляется за счет включения петли положительной обратной связи между выходом и одним из входов, которая затем определяет порог переключения при нарастании и падении входного сигнала. Шум на входном сигнале в схеме компаратора может привести к множественным переходам по мере роста входного сигнала. Преднамеренное добавление гистерезиса в схему компаратора полезно для подавления этого непреднамеренного переключения из-за шума. Аналогичным применением является устранение дребезга контактов в механических переключателях, что также приводит к непреднамеренному переключению.

 

Подавление непреднамеренного переключения в цепи компаратора зарядка/разрядка конденсатора или синусоидальная форма волны). Когда входной сигнал растет, он заставляет компаратор переключаться при другом напряжении, чем когда входной сигнал падает. Это связано с тем, что петля обратной связи посылает некоторый ток с выхода обратно на вход, что изменяет величину сигнала, видимого на входе.

Анализ гистерезиса в аналоговых цепях

Основным инструментом для анализа гистерезиса в аналоговых цепях является петля гистерезиса. В петле гистерезиса вы можете визуализировать, как некоторые выходные характеристики (например, напряжение и/или ток) изменяются при изменении входного сигнала в заданном диапазоне значений. Этот тип графика может быть легко построен из двух временных сигналов для входного и выходного сигналов. Когда выход отображается как функция входа, вы должны увидеть петлю, аналогичную той, которую можно было бы наблюдать в схеме триггера Шмитта.

Как обсуждалось выше, размер окна гистерезиса может зависеть от частоты входного аналогового сигнала, когда в контур обратной связи добавляются емкостные или индуктивные элементы. На размер окна гистерезиса также может повлиять каскадирование нескольких схем компаратора/операционного усилителя в вашей сети. Амплитуда входного сигнала также влияет на размер окна гистерезиса, особенно в каскадных сетях. Вы можете анализировать поведение сети с помощью моделирования развертки переменного тока и анализа слабого сигнала.

 

Примеры входных и выходных сигналов (слева) и соответствующее окно гистерезиса (слева). Обратите внимание, что пунктирные линии показывают почти соответствующие места на каждом графике.

 

Всякий раз, когда вы включаете гистерезис в аналоговые схемы, вам нужен мощный симулятор схемы, который помогает автоматизировать ряд важных анализов, таких как, например, построение кривой B-H сердечника. Кривая B-H показывает, как магнитные свойства используемых материалов реагировали на внешние магнитные силы.

 

Управлять кривой гистерезиса с помощью редактора моделей PSpice очень просто. Этот уникальный набор функций берет данные непосредственно из вашей схемы и дает вам полное представление о поведении ваших цепей, даже кривые B-H могут быть легко построены.

Если вы хотите узнать больше о том, какое решение у Cadence есть для вас, обратитесь к нам и нашей команде экспертов.

Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты. Cadence позволяет пользователям точно сократить циклы проектирования и передать их в производство с помощью современного отраслевого стандарта IPC-2581.

Подпишитесь на Linkedin Посетите вебсайт Больше контента от Cadence PCB Solutions

УЧИТЬ БОЛЬШЕ

Гистерезис в электротехнике и электронике: что это такое

В электротехнике существуют различные устройства, принцип работы которых основан на электромагнитных явлениях. Там, где есть сердечник, на который намотана катушка из проводящего материала, например меди, наблюдаются взаимодействия за счет магнитных полей. Это реле, пускатели, контакторы, электродвигатели и магниты. Среди характеристик сердечников есть такая характеристика, как гистерезис. В этой статье мы рассмотрим, что это такое, а также в чем польза и вред этого явления.

• Определение понятия
• Гистерезис в электротехнике
• Гистерезис в электронике

Определение понятия

Слово «гистерезис» имеет греческие корни, оно переводится как отставание или отставание. Этот термин используется в различных областях науки и техники. В общем смысле понятие гистерезиса отличается различным поведением системы при противоположных воздействиях.

Это можно сказать и проще. Предположим, есть некая система, на которую можно воздействовать в нескольких направлениях. Если при воздействии на него в прямом направлении после прекращения система не возвращается в исходное состояние, а устанавливается в промежуточное состояние, то для возврата в исходное состояние необходимо действовать в другом направлении с некоторой силой. В этом случае система имеет гистерезис.

Иногда это явление используют в полезных целях, например, для создания элементов, работающих при определенных пороговых значениях действующих сил и для регуляторов. В остальных случаях гистерезис вреден, учтите это на практике.

Гистерезис в электротехнике

В электротехнике гистерезис является важной характеристикой материалов, из которых изготавливаются сердечники электрических машин и аппаратов. Прежде чем приступить к объяснениям, давайте посмотрим на кривую намагничивания сердечника.

Изображение на графике такого типа также называют петлей гистерезиса.

Важно! В данном случае речь идет о гистерезисе феромагнетиков, здесь это нелинейная зависимость внутренней магнитной индукции материала от величины внешней магнитной индукции, которая зависит от предыдущего состояния элемента.

При протекании тока по проводнику вокруг последнего возникают магнитное и электрическое поля. Если намотать проволоку на катушку и пропустить через нее ток, то получится электромагнит. Если внутрь катушки поместить сердечник, то увеличится его индуктивность, а также силы, возникающие вокруг него.

Почему зависит гистерезис? Соответственно, сердечник выполнен из металла, от его типа зависят его характеристики и кривая намагничивания.

Если использовать, например, закаленную сталь, то гистерезис будет шире. При выборе так называемых магнитомягких материалов — график будет сужен. Что это значит и для чего?

Дело в том, что при работе такой катушки в цепи переменного тока ток течет то в ту, то в другую сторону. В результате и магнитных сил полюса постоянно меняются местами. В катушке без сердечника это происходит в принципе одновременно, а вот с сердечником дело обстоит иначе. Он постепенно намагничивается, его магнитная индукция увеличивается и постепенно достигает почти горизонтального участка графика, который называется участком насыщения.

После этого, если начать менять направление тока и магнитного поля, сердечник нужно будет намагнитить. Но если просто отключить ток и тем самым убрать источник магнитного поля, сердечник все равно останется намагниченным, хотя и не так сильно. На следующем графике это точка «А». Чтобы размагнитить его до исходного состояния, необходимо создать отрицательную напряженность магнитного поля. Это точка «В». Соответственно ток в катушке должен течь в обратном направлении.

Величина напряженности магнитного поля для полного размагничивания сердечника называется коэрцитивной силой и чем она меньше, тем лучше в данном случае.

Аналогично будет происходить перемагничивание в обратном направлении, но уже по нижней ветви петли. То есть при работе в цепи переменного тока часть энергии будет расходоваться на перемагничивание сердечника. Это приводит к тому, что КПД электродвигателя и трансформатора снижается. Соответственно, это приводит к его нагреву.

Важно! Чем меньше гистерезис и коэрцитивная сила, тем меньше потери на перемагничивание сердечника.

Помимо вышеперечисленного, гистерезис характерен также для работы реле и других электромагнитных коммутационных устройств. Например, отключение и включение тока. Когда реле выключено, чтобы оно сработало, нужно подать определенный ток. При этом ток его удержания во включенном состоянии может быть значительно ниже тока переключения. Он отключится только тогда, когда ток упадет ниже тока удержания.

Гистерезис в электронике

В электронных устройствах гистерезис выполняет в основном полезные функции. Предположим, это используется в пороговых элементах, например, компараторах и триггерах Шмидта. Ниже вы видите график его состояний:

Это необходимо в тех случаях, когда прибор срабатывает при достижении сигнала Х, после чего сигнал может начать снижаться и прибор не выключится, пока сигнал не упадет до уровня Y. Это решение используется для подавления дребезга контактов, помех и случайных всплесков, а также в различных контроллерах.

Например, термостат или регулятор температуры. Обычно его принцип действия заключается в отключении нагревательного (или охлаждающего) устройства в тот момент, когда температура в помещении или другом месте достигла заданного уровня.

Рассмотрим два варианта работы кратко и просто:

1. Без гистерезиса. Включение и выключение при заданной температуре. Здесь есть нюансы. Если поставить регулятор температуры на 22 градуса и нагреть комнату до этого уровня, то как только в комнате будет 22 он выключится, а когда снова упадет до 21 он включится. Это не всегда правильное решение, ведь ваше управляемое устройство будет слишком часто включаться и выключаться. Кроме того, в большинстве бытовых и многих производственных задач нет необходимости в такой четкой поддержке температуры.
2. С гистерезисом. Для внесения определенного зазора в допустимый диапазон регулируемых параметров используется гистерезис. То есть если установить температуру 22 градуса, то как только она будет достигнута, обогреватель отключится. Предположим, что гистерезис в регуляторе выставлен на зазор в 3 градуса, тогда обогреватель снова заработает только при снижении температуры воздуха до 19 градусов.