Liniowe i nieliniowe elementy obwodu elektrycznego

Elementy liniowe

Te elementy obwodu elektrycznego, dla których zależność prądu od napięcia I (U) lub napięcia od prądu U (I) oraz rezystancja R są stałe, nazywane są elementami liniowymi obwodu elektrycznego . W związku z tym obwód składający się z takich elementów nazywany jest liniowym obwodem elektrycznym.

Elementy liniowe charakteryzują się liniowo symetryczną charakterystyką prądowo-napięciową (CVC), która przypomina linię prostą przechodzącą przez początek układu współrzędnych pod pewnym kątem do osi współrzędnych. To pokazuje, że dla elementów liniowych i dla liniowych obwodów elektrycznych Prawo Ohma ściśle przestrzegane.

Ponadto możemy mówić nie tylko o elementach o czysto czynnych rezystancjach R, ale także o indukcyjnościach liniowych L i pojemnościach C, gdzie zależność strumienia magnetycznego od prądu — Ф (I) i zależność ładunku kondensatora od napięcie między jego płytami — q (U).

Doskonałym przykładem elementu liniowego jest rezystor z drutu spiralnego… Prąd płynący przez taki rezystor w pewnym zakresie napięcia roboczego zależy liniowo od wartości rezystancji i napięcia przyłożonego do rezystora.

Charakterystyka przewodu (charakterystyka prądowo-napięciowa) — zależność między napięciem przyłożonym do drutu a prądem w nim (zwykle wyrażona w postaci wykresu).

Na przykład w przypadku przewodnika metalowego prąd w nim jest proporcjonalny do przyłożonego napięcia, a zatem charakterystyka jest linią prostą. Im bardziej stroma linia, tym mniejszy opór drutu. Jednak niektóre przewodniki, w których prąd nie jest proporcjonalny do przyłożonego napięcia (na przykład lampy wyładowcze) mają bardziej złożoną, nieliniową charakterystykę prądowo-napięciową.

Elementy nieliniowe

Jeżeli dla elementu obwodu elektrycznego zależność prądu od napięcia lub napięcia od prądu oraz rezystancja R nie są stałe, tj. zmieniają się w zależności od prądu lub przyłożonego napięcia, to takie elementy nazywane są nieliniowymi i odpowiednio obwód elektryczny , zawierający co najmniej jeden element nieliniowy, okazuje się nieliniowy obwód elektryczny.

Charakterystyka prądowo-napięciowa elementu nieliniowego nie jest już linią prostą na wykresie, jest nieliniowa i często asymetryczna, jak na przykład dioda półprzewodnikowa. Prawo Ohma nie jest spełnione dla nieliniowych elementów obwodu elektrycznego.

W tym kontekście możemy mówić nie tylko o żarówce czy urządzeniu półprzewodnikowym, ale także o nieliniowych indukcyjnościach i kondensatorach, gdzie strumień magnetyczny Φ i ładunek q są nieliniowo związane z prądem cewki lub napięciem między płytki kondensatora. Dlatego dla nich charakterystyka Webera-ampera i charakterystyka Kulomba-wolta będą nieliniowe, są ustalane przez tabele, wykresy lub funkcje analityczne.

Przykładem elementu nieliniowego jest żarówka. Wraz ze wzrostem prądu płynącego przez żarnik lampy rośnie jego temperatura i rośnie rezystancja, co oznacza, że ​​nie jest on stały, a zatem ten element obwodu elektrycznego jest nieliniowy.

Odporność statyczna

W przypadku elementów nieliniowych w każdym punkcie ich charakterystyki I — V charakterystyczna jest pewna rezystancja statyczna, to znaczy każdemu stosunkowi napięcia do prądu w każdym punkcie wykresu przypisana jest pewna wartość rezystancji. Można ją obliczyć jako tangens kąta alfa nachylenia wykresu do poziomej osi I, tak jakby ten punkt leżał na wykresie liniowym.

Opór różnicowy

Elementy nieliniowe mają również tak zwaną rezystancję różnicową, która jest wyrażona jako stosunek nieskończenie małego wzrostu napięcia do odpowiadającej mu zmiany prądu. Opór ten można obliczyć jako tangens kąta między styczną do charakterystyki I — V w danym punkcie a osią poziomą.

Takie podejście sprawia, że ​​analiza i obliczenia prostych obwodów nieliniowych są tak proste, jak to tylko możliwe.

Powyższy rysunek pokazuje charakterystykę I — V typowego dioda… Znajduje się w pierwszej i trzeciej ćwiartce płaszczyzny współrzędnych, co mówi nam, że przy dodatnim lub ujemnym napięciu przyłożonym do złącza pn diody (w jednym lub drugim kierunku) wystąpi polaryzacja do przodu lub do tyłu ze złącza pn diody. Gdy napięcie na diodzie wzrasta w dowolnym kierunku, prąd początkowo nieznacznie wzrasta, a następnie gwałtownie wzrasta. Z tego powodu dioda należy do niesterowanej nieliniowej sieci bipolarnej.

Ten rysunek przedstawia rodzinę o typowych charakterystykach I — V. fotodioda w różnych warunkach oświetleniowych. Głównym trybem działania fotodiody jest tryb polaryzacji wstecznej, gdy przy stałym strumieniu światła Ф prąd praktycznie nie zmienia się w dość szerokim zakresie napięć roboczych. W tych warunkach modulacja strumienia światła oświetlającego fotodiodę spowoduje jednoczesną modulację prądu płynącego przez fotodiodę. Zatem fotodioda jest kontrolowanym nieliniowym urządzeniem bipolarnym.

To jest VAC tyrystor, tutaj widać jego wyraźną zależność od wielkości prądu elektrody sterującej. W pierwszej ćwiartce — sekcja robocza tyrystora. W trzeciej ćwiartce początek charakterystyki I — V to mały prąd i duże przyłożone napięcie (w stanie zamkniętym rezystancja tyrystora jest bardzo wysoka). W pierwszej ćwiartce prąd jest duży, spadek napięcia niewielki — tyrystor jest obecnie otwarty.

Moment przejścia ze stanu zamkniętego do otwartego występuje, gdy do elektrody sterującej zostanie przyłożony określony prąd. Przejście ze stanu otwartego do stanu zamkniętego następuje, gdy prąd płynący przez tyrystor maleje.Zatem tyrystor jest sterowanym nieliniowym trójbiegunowym (podobnie jak tranzystor, w którym prąd kolektora zależy od prądu bazy).