Sähköpiirin lineaariset ja epälineaariset elementit

Lineaariset elementit

Sähköpiirin lineaarielementeiksi kutsutaan niitä sähköpiirin elementtejä, joiden virran riippuvuus jännitteestä I (U) tai jännitteen U (I) riippuvuus sekä vastus R ovat vakioita. . Vastaavasti sellaisista elementeistä koostuvaa piiriä kutsutaan lineaariseksi sähköpiiriksi.

Lineaarisille elementeille on ominaista lineaarisesti symmetrinen virta-jännite-ominaisuus (CVC), joka muistuttaa suoraa viivaa, joka kulkee origon kautta tietyssä kulmassa koordinaattiakseleihin nähden. Tämä osoittaa sen lineaarisille elementeille ja lineaarisille sähköpiireille Ohmin laki tiukasti noudatettu.

Lisäksi ei voida puhua pelkästään elementeistä, joilla on puhtaasti aktiivinen resistanssi R, vaan myös lineaarisista induktansseista L ja kapasitansseista C, joissa magneettivuon riippuvuus virrasta — Ф (I) ja kondensaattorin varauksen riippuvuus virtauksesta sen levyjen välinen jännite — q (U).

Hyvä esimerkki lineaarisesta elementistä on kierretty lankavastus… Tällaisen vastuksen läpi kulkeva virta tietyllä käyttöjännitealueella riippuu lineaarisesti vastuksen arvosta ja vastukseen syötetystä jännitteestä.

Johtimen ominaisuus (virta-jännite-ominaisuus) — johtoon syötetyn jännitteen ja siinä olevan virran välinen suhde (yleensä kaaviona).

Esimerkiksi metallijohtimessa sen virta on verrannollinen syötettyyn jännitteeseen, ja siksi ominaisuus on suora. Mitä jyrkempi viiva, sitä pienempi langan vastus. Joillakin johtimilla, joissa virta ei ole verrannollinen käytettyyn jännitteeseen (esimerkiksi kaasupurkauslamput), on kuitenkin monimutkaisempi, epälineaarinen virta-jännite-ominaisuus.

Epälineaariset elementit

Jos sähköpiirin elementillä virran riippuvuus jännitteestä tai jännitteen virrasta, samoin kuin vastus R eivät ole vakioita, eli ne muuttuvat virrasta tai käytetystä jännitteestä riippuen, niin tällaiset elementit kutsutaan epälineaariseksi ja vastaavasti sähköpiiri , joka sisältää vähintään yhden epälineaarisen elementin, osoittautuu epälineaarinen sähköpiiri.

Epälineaarisen elementin virta-jännite-ominaiskäyrä ei ole enää suora viiva kaaviossa, se on epälineaarinen ja usein epäsymmetrinen, kuten puolijohdediodi. Ohmin laki ei täyty sähköpiirin epälineaarisille elementeille.

Tässä yhteydessä ei voida puhua vain hehkulampusta tai puolijohdelaitteesta, vaan myös epälineaarisista induktansseista ja kondensaattoreista, joissa magneettivuo Φ ja varaus q ovat epälineaarisesti suhteessa kelan virtaan tai niiden väliseen jännitteeseen. kondensaattorin levyt. Siksi niille Weber-ampeeriominaisuudet ja Coulomb-volttiominaisuudet ovat epälineaarisia, ne asetetaan taulukoiden, kaavioiden tai analyyttisten funktioiden avulla.

Esimerkki epälineaarisesta elementistä on hehkulamppu. Kun lampun hehkulangan läpi kulkeva virta kasvaa, sen lämpötila nousee ja vastus kasvaa, mikä tarkoittaa, että se ei ole vakio ja siksi tämä sähköpiirin elementti on epälineaarinen.

Staattinen vastus

Epälineaarisille elementeille on ominaista tietty staattinen resistanssi niiden I — V -ominaiskäyrän jokaisessa pisteessä, eli jokaiselle jännite-virtasuhteelle kaavion jokaisessa pisteessä on määritetty tietty vastusarvo. Se voidaan laskea seuraavasti: kaavion kaltevuuden kulman alfa tangentti vaakasuoraan I-akseliin ikään kuin tämä piste olisi viivakaaviossa.

Differentiaalinen vastus

Epälineaarisilla elementeillä on myös ns. differentiaaliresistanssi, joka ilmaistaan ​​äärettömän pienen jännitteen nousun ja vastaavan virranmuutoksen suhteena. Tämä resistanssi voidaan laskea kulman tangenttina, joka vallitsee tietyn pisteen I–V-ominaiskäyrän tangentin ja vaaka-akselin välillä.

Tämä lähestymistapa tekee yksinkertaisten epälineaaristen piirien analysoinnista ja laskemisesta mahdollisimman yksinkertaista.

Yllä oleva kuva esittää tyypillisen I-V-ominaisuuden diodi… Se sijaitsee koordinaattitason ensimmäisessä ja kolmannessa neljänneksessä, mikä kertoo meille, että positiivisella tai negatiivisella jännitteellä, joka on kohdistettu diodin pn-liitokseen (johonkin suuntaan), syntyy eteen- tai taaksepäin bias diodin pn-liitoksesta. Kun jännite diodin yli kasvaa kumpaankin suuntaan, virta kasvaa aluksi hieman ja kasvaa sitten jyrkästi. Tästä syystä diodi kuuluu hallitsemattomaan epälineaariseen bipolaariseen verkkoon.

Tämä kuva esittää perhettä, jolla on tyypilliset I-V-ominaisuudet. valodiodi erilaisissa valaistusolosuhteissa. Valodiodin päätoimintatapa on käänteinen bias-tila, kun vakiolla valovirralla Ф virta ei käytännössä muutu melko laajalla käyttöjännitteiden alueella. Näissä olosuhteissa valodiodia valaisevan valovirran modulaatio johtaa samanaikaiseen valodiodin läpi kulkevan virran modulaatioon. Siten valodiodi on ohjattu epälineaarinen bipolaarinen laite.

Tämä on VAC tyristori, tässä näet sen selvän riippuvuuden ohjauselektrodin virran suuruudesta. Ensimmäisessä kvadrantissa - tyristorin työosa. Kolmannessa kvadrantissa I - V -ominaisuuden alku on pieni virta ja suuri jännite (suljetussa tilassa tyristorin resistanssi on erittäin korkea). Ensimmäisessä kvadrantissa virta on korkea, jännitehäviö on pieni - tyristori on tällä hetkellä auki.

Siirtymähetki suljetusta tilasta avoimeen tapahtuu, kun ohjauselektrodiin syötetään tietty virta. Siirtyminen avoimesta tilasta suljettuun tilaan tapahtuu, kun tyristorin läpi kulkeva virta pienenee.Tyristori on siis ohjattu epälineaarinen kolminapainen (kuten transistori, jossa kollektorivirta riippuu kantavirrasta).