Электрический элемент - Electrical element

Не путать с Нагревательный элемент.

Электрические элементы концептуальные абстракции, представляющие идеализированные электрические компоненты, такие как резисторы, конденсаторы, и индукторы, используемый в анализ из электрические сети. Все электрические сети можно рассматривать как множество электрических элементов, соединенных между собой проводами. Если элементы примерно соответствуют реальным компонентам, представление может быть в виде принципиальная схема или принципиальная электрическая схема. Это называется модель схемы с сосредоточенными элементами. В других случаях бесконечно малые элементы используются для моделирования сети в модель с распределенными элементами.

Эти идеальные электрические элементы представляют собой реальные, физические электрические или электронные компоненты но они не существуют физически, и предполагается, что они обладают идеальными свойствами, в то время как фактические электрические компоненты обладают неидеальными свойствами, степенью неопределенности в их значениях и некоторой степенью нелинейности. Для моделирования неидеального поведения реального компонента схемы может потребоваться комбинация нескольких идеальных электрических элементов, чтобы приблизить его функцию. Например, предполагается, что элемент цепи индуктивности имеет индуктивность, но не имеет сопротивления или емкости, в то время как реальный индуктор, катушка с проводом, имеет некоторое сопротивление в дополнение к своей индуктивности. Это может быть смоделировано идеальным элементом индуктивности, последовательно включенным с сопротивлением.

Анализ схем с использованием электрических элементов полезен для понимания многих практических электрических сетей, использующих компоненты. Анализируя влияние на сеть ее отдельных элементов, можно оценить, как будет вести себя реальная сеть.

Типы

Элементы схемы можно разделить на разные категории. Во-первых, сколько клемм у них есть для подключения к другим компонентам:

• Однопортовые элементы - это простейшие компоненты, к которым можно подключать только две клеммы. Примерами являются сопротивления, емкости, индуктивности и диоды.
• Многопортовые элементы - у них более двух терминалов. Они подключаются к внешней цепи через несколько пар клемм, называемых порты. Например, трансформатор с тремя отдельными обмотками имеет шесть выводов и может быть идеализирован как трехполюсный элемент; концы каждой обмотки подключены к паре выводов, которые представляют порт.
  • Двухпортовые элементы - это самые распространенные многопортовые элементы, у которых четыре терминала по два порта.

Также элементы можно разделить на активные и пассивные:

• Активные элементы или источники - это элементы, которые могут стать источником электрического мощность; примеры источники напряжения и текущие источники. Их можно использовать для представления идеального батареи и Источники питания.
  • Зависимые источники - Это двухполюсные элементы с источником напряжения или тока, который пропорционален напряжению или току на второй паре выводов. Они используются при моделировании усиление компоненты, такие как транзисторы, вакуумные трубки, и операционные усилители.
• Пассивные элементы - Это элементы, не имеющие источника энергии, например диоды, сопротивления, емкости и индуктивности.

Еще одно различие между линейным и нелинейным:

• Линейные элементы - это элементы, в которых отношение составляющих, отношение между напряжением и током, является линейная функция. Они подчиняются принцип суперпозиции. Примерами линейных элементов являются сопротивления, емкости, индуктивности и линейно зависимые источники. Схемы только с линейными элементами, линейные цепи, не вызывают интермодуляционные искажения, и его можно легко проанализировать с помощью мощных математических методов, таких как Преобразование Лапласа.
• Нелинейные элементы - это элементы, в которых соотношение между напряжением и током нелинейная функция. Примером может служить диод, в котором ток равен экспоненциальная функция напряжения. Схемы с нелинейными элементами сложнее анализировать и проектировать, часто требуя схемотехническое моделирование компьютерные программы, такие как СПЕЦИЯ.

Однопортовые элементы

Всего девять типов элементов (мемристор не включены), пять пассивных и четыре активных, требуются для моделирования любого электрического компонента или цепи.^{[нужна цитата ]} Каждый элемент определяется соотношением между переменные состояния сети: текущий, ${\displaystyle I}$; Напряжение, ${\displaystyle V}$, обвинять, ${\displaystyle Q}$; и магнитный поток, ${\displaystyle \Phi }$.

• Два источника:
  • Источник тока, измеряется в амперы - производит ток в проводнике. Влияет на заряд согласно соотношению ${\displaystyle dQ=-I\,dt}$.
  • Источник напряжения, измеряется в вольт - производит разность потенциалов между двумя точками. Влияет на магнитный поток согласно соотношению ${\displaystyle d\Phi =V\,dt}$.

${\displaystyle \Phi }$ в этих отношениях не обязательно представляет что-либо физически значимое. В случае генератора тока ${\displaystyle Q}$, интеграл от тока по времени, представляет собой количество электрического заряда, физически доставленного генератором. Здесь ${\displaystyle \Phi }$ представляет собой интеграл напряжения по времени, но то, представляет ли он физическую величину, зависит от природы источника напряжения. Для напряжения, генерируемого магнитной индукцией, это имеет значение, но для электрохимического источника или напряжения, которое является выходом другой цепи, этому не придается никакого физического смысла.

Оба эти элемента обязательно являются нелинейными. Увидеть # Нелинейные элементы ниже.

• Три пассивный элементы:
  • Сопротивление ${\displaystyle R}$, измеряется в Ом - вырабатывает напряжение, пропорциональное току, протекающему через элемент. Связывает напряжение и ток в соответствии с соотношением ${\displaystyle dV=R\,dI}$.
  • Емкость ${\displaystyle C}$, измеряется в фарады - вырабатывает ток, пропорциональный скорости изменения напряжения на элементе. Связывает заряд и напряжение в соответствии с соотношением ${\displaystyle dQ=C\,dV}$.
  • Индуктивность ${\displaystyle L}$, измеряется в Генри - создает магнитный поток, пропорциональный скорости изменения тока через элемент. Связывает поток и ток согласно соотношению ${\displaystyle d\Phi =L\,dI}$.
• Четыре абстрактных активных элемента:
  • Источник напряжения, управляемый напряжением (VCVS). Генерирует напряжение на основе другого напряжения по отношению к заданному усилению. (имеет бесконечный ввод сопротивление и нулевой выходной импеданс).
  • Источник тока, управляемый напряжением (VCCS). Генерирует ток на основе напряжения в другом месте цепи по отношению к заданному усилению, используемому для моделирования. полевые транзисторы и вакуумные трубки (имеет бесконечный входной импеданс и бесконечный выходной импеданс). Прирост характеризуется переходная проводимость который будет иметь единицы Сименс.
  • Источник напряжения с управлением по току (CCVS) Генерирует напряжение на основе входного тока в другом месте цепи относительно заданного усиления. (имеет нулевой входной импеданс и нулевой выходной импеданс). Используется для моделирования предатели. Прирост характеризуется передаточное сопротивление который будет иметь единицы Ом.
  • Источник тока с управляемым током (CCCS) Генерирует ток на основе входного тока и заданного усиления. Используется для моделирования биполярные переходные транзисторы. (Имеет нулевой входной импеданс и бесконечный выходной импеданс).

Эти четыре элемента являются примерами двухпортовые элементы.

Нелинейные элементы

Концептуальная симметрия резистора, конденсатора, индуктора и мемристора.

На самом деле все компоненты схемы нелинейны и могут быть приближены к линейным только в определенном диапазоне. Чтобы более точно описать пассивные элементы, их учредительное отношение используется вместо простой пропорциональности. Из любых двух переменных схемы можно сформировать шесть определяющих соотношений. Исходя из этого, предполагается, что существует теоретический четвертый пассивный элемент, поскольку в линейном сетевом анализе всего пять элементов (не считая различных зависимых источников). Этот дополнительный элемент называется мемристор. Он имеет значение только как нелинейный элемент, зависящий от времени; как не зависящий от времени линейный элемент он сводится к обычному резистору. Следовательно, он не входит в линейный инвариантный во времени (LTI) схемные модели. Материальные отношения пассивных элементов задаются;^[1]

• Сопротивление: определяющее отношение, определяемое как ${\displaystyle f(V,I)=0}$.
• Емкость: определяющее отношение, определяемое как ${\displaystyle f(V,Q)=0}$.
• Индуктивность: определяющее отношение, определяемое как ${\displaystyle f(\Phi ,I)=0}$.
• Мемристанс: конститутивное отношение, определяемое как ${\displaystyle f(\Phi ,Q)=0}$.

где ${\displaystyle f(x,y)}$ - произвольная функция двух переменных.

В некоторых особых случаях определяющее отношение упрощается до функции одной переменной. Это справедливо для всех линейных элементов, но также, например, для идеального диод, который в терминах теории цепей представляет собой нелинейный резистор, имеет определяющее соотношение вида ${\displaystyle V=f(I)}$. Под этим определением нелинейными резисторами могут считаться как независимые источники напряжения, так и независимые источники тока.^[1]

Четвертый пассивный элемент, мемристор, был предложен Леон Чуа в статье 1971 года, но физический компонент, демонстрирующий пизастанс, был создан только тридцать семь лет спустя. 30 апреля 2008 г. сообщалось, что рабочий мемристор был разработан командой в г. Лаборатория HP во главе с ученым Р. Стэнли Уильямс.^[2][3][4][5] С появлением мемристора каждая пара четырех переменных теперь может быть связана.

Также есть два специальных нелинейных элемента, которые иногда используются в анализе, но не являются идеальным аналогом любого реального компонента:

• Нуллятор: определяется как ${\displaystyle V=I=0}$
• Norator: определяется как элемент, который не накладывает никаких ограничений на напряжение и ток.

Иногда они используются в моделях компонентов с более чем двумя выводами: например, транзисторы.^[1]

Двухпортовые элементы

Все вышеперечисленное двухполюсное, или однопортовый, элементы за исключением зависимых источников. Есть два без потерь, пассивный, линейный двухпортовый элементы, которые обычно вводятся в сетевой анализ. Их определяющие отношения в матричной записи:

Трансформатор

${\displaystyle {\begin{bmatrix}V_{1}\\I_{2}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}0&n\\-n&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}I_{1}\\V_{2}\end{bmatrix}}}$

Гиратор

${\displaystyle {\begin{bmatrix}V_{1}\\V_{2}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}0&-r\\r&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}I_{1}\\I_{2}\end{bmatrix}}}$

Трансформатор отображает напряжение на одном порте на напряжение на другом в соотношении п. Ток между теми же двумя портами отображается как 1 /п. В гиратор, с другой стороны, отображает напряжение на одном порте с током на другом. Точно так же токи отображаются в напряжениях. Количество р в матрице - единицы сопротивления. Гиратор - необходимый элемент анализа, потому что он не взаимный. Сети, построенные только из основных линейных элементов, обязаны быть взаимными и поэтому не могут использоваться сами по себе для представления невзаимной системы. Однако необязательно иметь и трансформатор, и гиратор. Два гиратора в каскаде эквивалентны трансформатору, но трансформатор обычно оставляют для удобства. Введение гиратора также делает несущественными либо емкость, либо индуктивность, поскольку гиратор, заканчивающийся одним из них на порте 2, будет эквивалентен другому на порте 1. Однако трансформатор, емкость и индуктивность обычно сохраняются при анализе, поскольку они являются идеальные свойства основных физических компонентов трансформатор, индуктор и конденсатор тогда как практический гиратор должен быть построен как активный контур.^[6][7][8]

Примеры

Ниже приведены примеры представления компонентов в виде электрических элементов.

• В первой степени приближения аккумулятор представлен источником напряжения. Более совершенная модель также включает сопротивление, подключенное последовательно к источнику напряжения, чтобы представить внутреннее сопротивление батареи (что приводит к нагреву батареи и падению напряжения при использовании). Можно добавить параллельно подключенный источник тока, чтобы представить его утечку (которая разряжает батарею в течение длительного периода времени).
• В первой степени приближения резистор представлен сопротивлением. Более совершенная модель также включает в себя последовательную индуктивность, чтобы представить влияние индуктивности ее вывода (резисторы, построенные в виде спирали, имеют более значительную индуктивность). Параллельная емкость может быть добавлена ​​для отражения емкостного эффекта близости выводов резистора друг к другу. Провод можно представить как резистор малой величины.
• Текущие источники чаще используются при представлении полупроводники. Например, в первой степени приближения биполярный транзистор может быть представлен источником переменного тока, который управляется входным током.

Смотрите также

• Линия передачи

Рекомендации

1. Лиляна Трайкович, «Нелинейные схемы», Справочник по электротехнике (Ред: Вай-Кай Чен), стр.75–77, Academic Press, 2005 ISBN  0-12-170960-4
2. Струков, Дмитрий Б; Снайдер, Грегори С; Стюарт, Дункан Р.; Уильямс, Стэнли Р. (2008), «Найден пропавший мемристор», Природа, 453 (7191): 80–83, Bibcode:2008Натура.453 ... 80Х, Дои:10.1038 / природа06932, PMID  18451858
3. EETimes, 30 апреля 2008 г., Создан мемристор с отсутствующим звеном, EETimes, 30 апреля 2008 г.
4. Инженеры нашли «недостающее звено» электроники - 30 апреля 2008 г.
5. Исследователи доказывают существование нового базового элемента электронных схем - мемристора - 30 апреля 2008 г.
6. Вадхва, C.L., Сетевой анализ и синтез, стр.17–22, New Age International, ISBN  81-224-1753-1.
7. Герберт Дж. Карлин, Пьер Паоло Чивальери, Конструкция широкополосной схемы, стр.171–172, CRC Press, 1998 ISBN  0-8493-7897-4.
8. Векослав Дамич, Джон Монтгомери, Мехатроника с помощью графов связей: объектно-ориентированный подход к моделированию и симуляции, стр.32–33, Springer, 2003 г. ISBN  3-540-42375-3.