Γραμμικά και μη γραμμικά στοιχεία του ηλεκτρικού κυκλώματος

Γραμμικά στοιχεία

Εκείνα τα στοιχεία του ηλεκτρικού κυκλώματος, για τα οποία η εξάρτηση του ρεύματος από την τάση I (U) ή η τάση από το ρεύμα U (I), καθώς και η αντίσταση R, είναι σταθερά, ονομάζονται γραμμικά στοιχεία του ηλεκτρικού κυκλώματος. . Κατά συνέπεια, ένα κύκλωμα που αποτελείται από τέτοια στοιχεία ονομάζεται γραμμικό ηλεκτρικό κύκλωμα.

Τα γραμμικά στοιχεία χαρακτηρίζονται από ένα γραμμικά συμμετρικό χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης (CVC), το οποίο μοιάζει με μια ευθεία γραμμή που διέρχεται από την αρχή υπό μια ορισμένη γωνία ως προς τους άξονες συντεταγμένων. Αυτό δείχνει ότι για γραμμικά στοιχεία και για γραμμικά ηλεκτρικά κυκλώματα Νόμος του Ohm τηρούνται αυστηρά.

Επιπλέον, μπορούμε να μιλήσουμε όχι μόνο για στοιχεία με καθαρά ενεργές αντιστάσεις R, αλλά και για γραμμικές επαγωγές L και χωρητικότητες C, όπου η εξάρτηση της μαγνητικής ροής από το ρεύμα — Ф (I) και η εξάρτηση του φορτίου του πυκνωτή από το τάση μεταξύ των πλακών του — q (U).

Ένα πρωταρχικό παράδειγμα γραμμικού στοιχείου είναι αντίσταση σπειροειδούς σύρματος… Το ρεύμα μέσω μιας τέτοιας αντίστασης σε ένα συγκεκριμένο εύρος τάσης λειτουργίας εξαρτάται γραμμικά από την τιμή της αντίστασης και από την τάση που εφαρμόζεται στην αντίσταση.

Χαρακτηριστικό αγωγού (χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης) — τη σχέση μεταξύ της τάσης που εφαρμόζεται στο καλώδιο και του ρεύματος σε αυτό (συνήθως εκφράζεται ως γράφημα).

Για έναν μεταλλικό αγωγό, για παράδειγμα, το ρεύμα σε αυτόν είναι ανάλογο με την εφαρμοζόμενη τάση και επομένως το χαρακτηριστικό είναι μια ευθεία γραμμή. Όσο πιο απότομη είναι η γραμμή, τόσο χαμηλότερη είναι η αντίσταση του σύρματος. Ωστόσο, ορισμένοι αγωγοί στους οποίους το ρεύμα δεν είναι ανάλογο με την εφαρμοζόμενη τάση (για παράδειγμα, λαμπτήρες εκκένωσης αερίου) έχουν ένα πιο περίπλοκο, μη γραμμικό χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης.

Μη γραμμικά στοιχεία

Εάν για ένα στοιχείο ενός ηλεκτρικού κυκλώματος η εξάρτηση του ρεύματος από την τάση ή η τάση από το ρεύμα, καθώς και η αντίσταση R, δεν είναι σταθερές, δηλ. αλλάζουν ανάλογα με το ρεύμα ή την εφαρμοζόμενη τάση, τότε τέτοια στοιχεία ονομάζονται μη γραμμικά και, κατά συνέπεια, προκύπτει ένα ηλεκτρικό κύκλωμα που περιέχει τουλάχιστον ένα μη γραμμικό στοιχείο μη γραμμικό ηλεκτρικό κύκλωμα.

Το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης ενός μη γραμμικού στοιχείου δεν είναι πλέον ευθεία γραμμή στο γράφημα, είναι μη γραμμικό και συχνά ασύμμετρο, όπως μια δίοδος ημιαγωγών. Ο νόμος του Ohm δεν πληρούται για τα μη γραμμικά στοιχεία ενός ηλεκτρικού κυκλώματος.

Σε αυτό το πλαίσιο, μπορούμε να μιλήσουμε όχι μόνο για έναν λαμπτήρα πυρακτώσεως ή μια συσκευή ημιαγωγών, αλλά και για μη γραμμικές επαγωγές και πυκνωτές, όπου η μαγνητική ροή Φ και το φορτίο q σχετίζονται μη γραμμικά με το ρεύμα του πηνίου ή με την τάση μεταξύ τις πλάκες του πυκνωτή. Επομένως, για αυτούς τα χαρακτηριστικά Weber-ampere και τα χαρακτηριστικά Coulomb-volt θα είναι μη γραμμικά, καθορίζονται από πίνακες, γραφήματα ή αναλυτικές συναρτήσεις.

Ένα παράδειγμα μη γραμμικού στοιχείου είναι ένας λαμπτήρας πυρακτώσεως. Καθώς το ρεύμα διαμέσου του νήματος του λαμπτήρα αυξάνεται, η θερμοκρασία του αυξάνεται και η αντίσταση αυξάνεται, πράγμα που σημαίνει ότι δεν είναι σταθερό και επομένως αυτό το στοιχείο του ηλεκτρικού κυκλώματος είναι μη γραμμικό.

Στατική αντίσταση

Για τα μη γραμμικά στοιχεία, μια ορισμένη στατική αντίσταση είναι χαρακτηριστική σε κάθε σημείο του χαρακτηριστικού τους I — V, δηλαδή, σε κάθε λόγο τάσης προς ρεύμα σε κάθε σημείο του γραφήματος αποδίδεται μια ορισμένη τιμή αντίστασης. Μπορεί να υπολογιστεί ως την εφαπτομένη της γωνίας άλφα της κλίσης της γραφικής παράστασης στον οριζόντιο άξονα I σαν αυτό το σημείο να βρίσκεται σε γραμμικό γράφημα.

Διαφορική αντίσταση

Τα μη γραμμικά στοιχεία έχουν επίσης τη λεγόμενη διαφορική αντίσταση, η οποία εκφράζεται ως ο λόγος μιας απειροελάχιστα μικρής αύξησης της τάσης προς την αντίστοιχη μεταβολή του ρεύματος. Αυτή η αντίσταση μπορεί να υπολογιστεί ως η εφαπτομένη της γωνίας μεταξύ της εφαπτομένης στο χαρακτηριστικό I — V σε ένα δεδομένο σημείο και του οριζόντιου άξονα.

Αυτή η προσέγγιση καθιστά την ανάλυση και τον υπολογισμό απλών μη γραμμικών κυκλωμάτων όσο το δυνατόν απλούστερα.

Το παραπάνω σχήμα δείχνει το χαρακτηριστικό I — V ενός τυπικού δίοδος… Βρίσκεται στο πρώτο και τρίτο τεταρτημόριο του επιπέδου συντεταγμένων, αυτό μας λέει ότι με μια θετική ή αρνητική τάση που εφαρμόζεται στη διασταύρωση pn της διόδου (προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση), θα υπάρχει πόλωση προς τα εμπρός ή προς τα πίσω από τη διασταύρωση pn της διόδου. Καθώς η τάση κατά μήκος της διόδου αυξάνεται προς οποιαδήποτε κατεύθυνση, το ρεύμα αρχικά αυξάνεται ελαφρώς και στη συνέχεια αυξάνεται απότομα. Για το λόγο αυτό, η δίοδος ανήκει σε ένα μη ελεγχόμενο μη γραμμικό διπολικό δίκτυο.

Αυτό το σχήμα δείχνει μια οικογένεια με τυπικά χαρακτηριστικά I — V. φωτοδίοδος κάτω από διαφορετικές συνθήκες φωτισμού. Ο κύριος τρόπος λειτουργίας της φωτοδιόδου είναι ο τρόπος αντίστροφης πόλωσης, όταν σε σταθερή ροή φωτός Ф το ρεύμα πρακτικά δεν αλλάζει σε ένα αρκετά μεγάλο εύρος τάσεων λειτουργίας. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, η διαμόρφωση της φωτεινής ροής που φωτίζει τη φωτοδίοδο θα έχει ως αποτέλεσμα την ταυτόχρονη διαμόρφωση του ρεύματος μέσω της φωτοδιόδου. Έτσι, η φωτοδίοδος είναι μια ελεγχόμενη μη γραμμική διπολική συσκευή.

Αυτό είναι VAC θυρίστορ, εδώ μπορείτε να δείτε τη σαφή εξάρτησή του από το μέγεθος του ρεύματος του ηλεκτροδίου ελέγχου. Στο πρώτο τεταρτημόριο - το τμήμα εργασίας του θυρίστορ. Στο τρίτο τεταρτημόριο, η αρχή του χαρακτηριστικού I — V είναι ένα μικρό ρεύμα και μια μεγάλη εφαρμοζόμενη τάση (στην κλειστή κατάσταση, η αντίσταση του θυρίστορ είναι πολύ υψηλή). Στο πρώτο τεταρτημόριο, το ρεύμα είναι υψηλό, η πτώση τάσης είναι μικρή — το θυρίστορ είναι ανοιχτό αυτήν τη στιγμή.

Η στιγμή της μετάβασης από την κλειστή στην ανοικτή κατάσταση συμβαίνει όταν ένα συγκεκριμένο ρεύμα εφαρμόζεται στο ηλεκτρόδιο ελέγχου. Η μετάβαση από την ανοιχτή κατάσταση στην κλειστή κατάσταση συμβαίνει όταν μειώνεται το ρεύμα μέσω του θυρίστορ.Έτσι, το θυρίστορ είναι ένα ελεγχόμενο μη γραμμικό τριπολικό (όπως ένα τρανζίστορ όπου το ρεύμα συλλέκτη εξαρτάται από το ρεύμα βάσης).