Lineaire en niet-lineaire elementen van het elektrische circuit

Lineaire elementen

Die elementen van het elektrische circuit, waarvoor de afhankelijkheid van de stroom van de spanning I (U) of de spanning van de stroom U (I), evenals de weerstand R, constant zijn, worden lineaire elementen van het elektrische circuit genoemd . Dienovereenkomstig wordt een circuit dat uit dergelijke elementen bestaat een lineair elektrisch circuit genoemd.

Lineaire elementen worden gekenmerkt door een lineair symmetrische stroom-spanningskarakteristiek (CVC), die lijkt op een rechte lijn die door de oorsprong gaat onder een bepaalde hoek ten opzichte van de coördinaatassen. Dit toont dat voor lineaire elementen en voor lineaire elektrische circuits De wet van Ohm strikt nageleefd.

Bovendien kunnen we niet alleen praten over elementen met puur actieve weerstanden R, maar ook over lineaire inductanties L en capaciteiten C, waarbij de afhankelijkheid van de magnetische flux van de stroom - Ф (I) en de afhankelijkheid van de condensatorlading op de spanning tussen de platen - q (U).

Een goed voorbeeld van een lineair element is spiraaldraad weerstand… De stroom door zo'n weerstand in een bepaald bedrijfsspanningsbereik hangt lineair af van de waarde van de weerstand en van de spanning op de weerstand.

Geleiderkarakteristiek (stroom-spanningskarakteristiek) — de relatie tussen de spanning die op de draad wordt toegepast en de stroom erin (meestal uitgedrukt in een grafiek).

Voor een metalen geleider is de stroom daarin bijvoorbeeld evenredig met de aangelegde spanning en daarom is de karakteristiek een rechte lijn. Hoe steiler de lijn, hoe lager de weerstand van de draad. Sommige geleiders waarin de stroom niet evenredig is met de aangelegde spanning (bijvoorbeeld gasontladingslampen) hebben echter een complexere, niet-lineaire stroom-spanningskarakteristiek.

Niet-lineaire elementen

Als voor een element van een elektrisch circuit de afhankelijkheid van de stroom van de spanning of de spanning van de stroom, evenals de weerstand R, niet constant zijn, d.w.z. ze veranderen afhankelijk van de stroom of van de aangelegde spanning, dan dergelijke elementen worden niet-lineair genoemd en dienovereenkomstig blijkt een elektrisch circuit met ten minste één niet-lineair element niet-lineair elektrisch circuit.

De stroom-spanningskarakteristiek van een niet-lineair element is niet langer een rechte lijn in de grafiek, maar is niet-lineair en vaak asymmetrisch, zoals een halfgeleiderdiode. De wet van Ohm is niet vervuld voor niet-lineaire elementen van een elektrisch circuit.

In deze context kunnen we niet alleen spreken over een gloeilamp of een halfgeleiderapparaat, maar ook over niet-lineaire inductanties en condensatoren, waarbij de magnetische flux Φ en lading q niet-lineair gerelateerd zijn aan de spoelstroom of aan de spanning tussen de platen van de condensator. Daarom zullen voor hen de Weber-ampère-karakteristieken en de Coulomb-volt-karakteristieken niet-lineair zijn, ze worden bepaald door tabellen, grafieken of analytische functies.

Een voorbeeld van een niet-lineair element is een gloeilamp. Naarmate de stroom door de gloeidraad van de lamp toeneemt, neemt de temperatuur toe en neemt de weerstand toe, wat betekent dat deze niet constant is en daarom is dit element van het elektrische circuit niet-lineair.

Statische weerstand

Voor niet-lineaire elementen is een bepaalde statische weerstand karakteristiek op elk punt van hun I - V-karakteristiek, dat wil zeggen dat aan elke spanning-stroomverhouding op elk punt van de grafiek een bepaalde weerstandswaarde wordt toegewezen. de raaklijn van de hoek alfa van de helling van de grafiek aan de horizontale I-as alsof dit punt op een lijngrafiek ligt.

Differentiële weerstand

Niet-lineaire elementen hebben ook een zogenaamde differentiële weerstand, die wordt uitgedrukt als de verhouding van een oneindig kleine spanningstoename tot de overeenkomstige verandering in stroom. Deze weerstand kan worden berekend als de tangens van de hoek tussen de raaklijn aan de I — V-karakteristiek op een bepaald punt en de horizontale as.

Deze benadering maakt de analyse en berekening van eenvoudige niet-lineaire circuits zo eenvoudig mogelijk.

De bovenstaande afbeelding toont het I — V-kenmerk van een typische diode... Het bevindt zich in het eerste en derde kwadrant van het coördinatenvlak, dit vertelt ons dat met een positieve of negatieve spanning toegepast op de pn-junctie van de diode (in de ene of de andere richting), er een voorwaartse of achterwaartse voorspanning zal zijn van de pn-junctie van de diode. Naarmate de spanning over de diode in beide richtingen toeneemt, neemt de stroom aanvankelijk iets toe en neemt vervolgens sterk toe. Om deze reden behoort de diode tot een ongecontroleerd niet-lineair bipolair netwerk.

Deze figuur toont een gezin met typische I t/m V kenmerken. fotodiode onder verschillende lichtomstandigheden. De belangrijkste werkingsmodus van de fotodiode is de omgekeerde bias-modus, wanneer bij een constante lichtstroom Ф de stroom praktisch niet verandert in een vrij breed bereik van bedrijfsspanningen. Onder deze omstandigheden zal modulatie van de lichtstroom die de fotodiode verlicht, resulteren in een gelijktijdige modulatie van de stroom door de fotodiode. De fotodiode is dus een bestuurd niet-lineair bipolair apparaat.

Dit is VAC thyristor, hier kunt u de duidelijke afhankelijkheid van de grootte van de stroom van de stuurelektrode zien. In het eerste kwadrant - het werkgedeelte van de thyristor. In het derde kwadrant is het begin van de I - V-karakteristiek een kleine stroom en een grote aangelegde spanning (in de gesloten toestand is de weerstand van de thyristor erg hoog). In het eerste kwadrant is de stroom hoog, de spanningsval klein - de thyristor is momenteel open.

Het moment van overgang van gesloten naar open toestand treedt op wanneer een bepaalde stroom op de stuurelektrode wordt aangelegd. De overgang van de open toestand naar de gesloten toestand vindt plaats wanneer de stroom door de thyristor afneemt.De thyristor is dus een gecontroleerde niet-lineaire driepolige (zoals een transistor waarbij de collectorstroom afhangt van de basisstroom).