องค์ประกอบเชิงเส้นและไม่เชิงเส้นของวงจรไฟฟ้า

องค์ประกอบเชิงเส้น

องค์ประกอบของวงจรไฟฟ้าซึ่งการพึ่งพากระแสกับแรงดัน I (U) หรือแรงดันของกระแส U (I) เช่นเดียวกับความต้านทาน R นั้นคงที่เรียกว่าองค์ประกอบเชิงเส้นของวงจรไฟฟ้า . ดังนั้นวงจรที่ประกอบด้วยองค์ประกอบดังกล่าวจึงเรียกว่าวงจรไฟฟ้าเชิงเส้น

องค์ประกอบเชิงเส้นมีลักษณะเฉพาะด้วยคุณลักษณะกระแส-แรงดันแบบสมมาตรเชิงเส้น (CVC) ซึ่งคล้ายกับเส้นตรงที่ผ่านจุดกำเนิดที่มุมหนึ่งไปยังแกนพิกัด นี่แสดงให้เห็นว่าสำหรับองค์ประกอบเชิงเส้นและสำหรับวงจรไฟฟ้าเชิงเส้น กฎของโอห์ม ปฏิบัติอย่างเคร่งครัด

นอกจากนี้ เราสามารถพูดคุยได้ไม่เฉพาะเกี่ยวกับองค์ประกอบที่มีความต้านทานแบบแอกทีฟ R เท่านั้น แต่ยังเกี่ยวกับตัวเหนี่ยวนำเชิงเส้น L และความจุ C ซึ่งการพึ่งพาฟลักซ์แม่เหล็กกับกระแส — Ф (I) และการพึ่งพาของประจุตัวเก็บประจุบน แรงดันไฟฟ้าระหว่างจาน — q (U)

ตัวอย่างที่สำคัญขององค์ประกอบเชิงเส้นคือ ตัวต้านทานแบบลวดขด… กระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานดังกล่าวในช่วงแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานได้จะขึ้นอยู่กับค่าของความต้านทานและแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับตัวต้านทาน

ลักษณะตัวนำ (ลักษณะกระแส-แรงดัน) — ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันที่ใช้กับเส้นลวดและกระแสในนั้น (มักจะแสดงเป็นกราฟ)

ตัวอย่างเช่น สำหรับตัวนำที่เป็นโลหะ กระแสในนั้นเป็นสัดส่วนกับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ ดังนั้น ลักษณะจะเป็นเส้นตรง ยิ่งเส้นมีความชันมากเท่าใด ความต้านทานของเส้นลวดก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ตัวนำบางตัวที่กระแสไฟฟ้าไม่เป็นสัดส่วนกับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ (เช่น หลอดปล่อยแก๊ส) มีลักษณะเฉพาะของแรงดันกระแสไฟฟ้าที่ไม่เป็นเชิงเส้นที่ซับซ้อนกว่า

องค์ประกอบที่ไม่ใช่เชิงเส้น

หากสำหรับองค์ประกอบของวงจรไฟฟ้าการพึ่งพาของกระแสกับแรงดันหรือแรงดันของกระแสรวมถึงความต้านทาน R ไม่คงที่นั่นคือ พวกมันเปลี่ยนไปตามกระแสหรือแรงดันที่ใช้ จากนั้นองค์ประกอบดังกล่าว เรียกว่าไม่เป็นเชิงเส้นและตามด้วย วงจรไฟฟ้า ที่มีองค์ประกอบไม่เป็นเชิงเส้นอย่างน้อยหนึ่งองค์ประกอบ วงจรไฟฟ้าแบบไม่เชิงเส้น.

ลักษณะกระแส-แรงดันขององค์ประกอบที่ไม่ใช่เชิงเส้นจะไม่ใช่เส้นตรงบนกราฟอีกต่อไป แต่จะไม่มีลักษณะเป็นเส้นตรงและมักจะไม่สมมาตร เช่น ไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ กฎของโอห์มใช้ไม่ได้กับองค์ประกอบที่ไม่ใช่เชิงเส้นของวงจรไฟฟ้า

ในบริบทนี้ เราสามารถพูดคุยได้ไม่เฉพาะเกี่ยวกับหลอดไส้หรืออุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุที่ไม่ใช่เชิงเส้นด้วย โดยที่ฟลักซ์แม่เหล็ก Φ และประจุ q ไม่สัมพันธ์เชิงเส้นกับกระแสของขดลวดหรือกับแรงดันระหว่าง แผ่นของตัวเก็บประจุ ดังนั้นสำหรับคุณลักษณะของเวเบอร์-แอมแปร์และคุณลักษณะของคูลอมบ์-โวลต์จะไม่เป็นเชิงเส้น โดยถูกกำหนดโดยตาราง กราฟ หรือฟังก์ชันการวิเคราะห์

ตัวอย่างขององค์ประกอบที่ไม่ใช่เชิงเส้นคือหลอดไส้ เมื่อกระแสผ่านไส้หลอดเพิ่มขึ้น อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นและความต้านทานจะเพิ่มขึ้น ซึ่งหมายความว่ากระแสจะไม่คงที่ ดังนั้นองค์ประกอบนี้ของวงจรไฟฟ้าจึงไม่เป็นเชิงเส้น

ความต้านทานไฟฟ้าสถิตย์

สำหรับองค์ประกอบที่ไม่ใช่เชิงเส้น ความต้านทานไฟฟ้าสถิตจะมีลักษณะเฉพาะที่แต่ละจุดของคุณลักษณะ I-V นั่นคือ อัตราส่วนระหว่างแรงดันต่อกระแสไฟฟ้าที่แต่ละจุดของกราฟจะได้รับการกำหนดค่าความต้านทานที่แน่นอน สามารถคำนวณได้ดังนี้ แทนเจนต์ของมุมอัลฟาของความชันของกราฟกับแกน I แนวนอน ราวกับว่าจุดนี้อยู่บนกราฟเส้น

ความต้านทานที่แตกต่างกัน

องค์ประกอบที่ไม่เชิงเส้นยังมีความต้านทานที่แตกต่างกันซึ่งแสดงเป็นอัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อยต่อการเปลี่ยนแปลงของกระแสที่สอดคล้องกัน ความต้านทานนี้สามารถคำนวณเป็นเส้นสัมผัสของมุมระหว่างเส้นสัมผัสกับลักษณะ I — V ที่จุดที่กำหนดและแกนนอน

วิธีการนี้ทำให้การวิเคราะห์และคำนวณวงจรไม่เชิงเส้นอย่างง่ายที่สุดเท่าที่จะทำได้

รูปด้านบนแสดงลักษณะ I — V ของแบบทั่วไป ไดโอด… มันตั้งอยู่ในควอแดรนต์ที่หนึ่งและสามของระนาบพิกัด สิ่งนี้บอกเราว่าเมื่อใช้แรงดันบวกหรือลบที่จุดต่อ pn ของไดโอด (ในทิศทางเดียวหรืออีกทิศทางหนึ่ง) จะมีการไบอัสไปข้างหน้าหรือย้อนกลับ จากจุดต่อ pn ของไดโอด เมื่อแรงดันคร่อมไดโอดเพิ่มขึ้นในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง กระแสในขั้นต้นจะเพิ่มขึ้นเล็กน้อย แล้วจึงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ด้วยเหตุนี้ ไดโอดจึงอยู่ในเครือข่ายไบโพลาร์แบบไม่เชิงเส้นที่ไม่มีการควบคุม

รูปนี้แสดงครอบครัวที่มีลักษณะ I — V ทั่วไป โฟโตไดโอด ภายใต้สภาพแสงที่แตกต่างกัน โหมดการทำงานหลักของโฟโตไดโอดคือโหมดไบอัสย้อนกลับเมื่ออยู่ที่ฟลักซ์แสงคงที่ Ф กระแสไฟจริงจะไม่เปลี่ยนแปลงในช่วงแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานค่อนข้างกว้าง ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ การมอดูเลตของฟลักซ์แสงที่ส่องสว่างโฟโตไดโอดจะส่งผลให้เกิดการมอดูเลตกระแสผ่านโฟโตไดโอดพร้อมกัน ดังนั้น โฟโตไดโอดจึงเป็นอุปกรณ์ไบโพลาร์แบบไม่เชิงเส้นที่มีการควบคุม

นี่คือ VAC ไทริสเตอร์ที่นี่คุณสามารถเห็นการพึ่งพาที่ชัดเจนกับขนาดของกระแสอิเล็กโทรดควบคุม ในควอแดรนท์แรก - ส่วนการทำงานของไทริสเตอร์ ในควอแดรนท์ที่สาม จุดเริ่มต้นของลักษณะ I-V คือกระแสไฟฟ้าขนาดเล็กและแรงดันไฟฟ้าที่ใช้มาก (ในสถานะปิด ความต้านทานของไทริสเตอร์จะสูงมาก) ในควอแดรนท์แรก กระแสสูง แรงดันตกเล็กน้อย — ไทริสเตอร์เปิดอยู่

ช่วงเวลาของการเปลี่ยนจากสถานะปิดเป็นเปิดเกิดขึ้นเมื่อกระแสบางอย่างถูกนำไปใช้กับอิเล็กโทรดควบคุม การเปลี่ยนจากสถานะเปิดเป็นสถานะปิดเกิดขึ้นเมื่อกระแสผ่านไทริสเตอร์ลดลงดังนั้นไทริสเตอร์จึงเป็นสามขั้วที่ไม่ใช่เชิงเส้นที่ควบคุม (เช่นทรานซิสเตอร์ที่กระแสสะสมขึ้นอยู่กับกระแสฐาน)