Электрический элемент - как концептуальная абстракция. Виды

Привет, Вы узнаете о том , что такое электрический элемент, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое электрический элемент , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база.

Электрические элементы представляют собой концептуальные абстракции , представляющие идеализированные электрические компоненты , такие как резисторы , конденсаторы и катушки индуктивности , используемые в анализе из электрических сетей . Все электрические сети могут быть проанализированы в виде нескольких электрических элементов , соединенных между собой проводами. Там , где элементы примерно соответствуют реальным компонентам представление может быть в виде схематической диаграммы или электрической схеме . Это называется моделью сосредоточенной элемента схемы . В других случаях бесконечно малые элементы используются для моделирования сети в распределенной модели элемента .

Эти идеальные электрические элементы представляют собой реальные, физические электрические или электронные компоненты , но они не существуют физически , и предполагается, что они имеют идеальные свойства, в то время как фактические электрические компоненты имеют меньше идеальные свойства, степень неопределенности в их значениях и некоторая степень нелинейности. Для моделирования неидеального поведения реального компонента схемы может потребоваться сочетание нескольких идеальных электрических элементов для того , чтобы приблизить его функцию. Например, предполагается , что элемент цепи катушки индуктивности , чтобы иметь индуктивность , но никакого сопротивления или емкости, в то время реальной катушки индуктивности, катушки проволоки, имеет некоторое сопротивление в дополнение к своей индуктивности. Это может быть смоделирован посредством идеального индуктивного элемента последовательно с сопротивлением.

Анализ цепи с помощью электрических элементов полезно для понимания многих практических электрических сетей с использованием компонентов. Анализируя путь сеть пораженной ее отдельных элементов можно оценить как реальная сеть будет вести себя.

Типы элементов

Элементы схемы могут быть классифицированы по разным категориям. Одним из них является, сколько терминалов они должны подключить их к другим компонентам:

• Элементы однопортовых - они представляют собой простейшие компоненты, которые имеют только два терминал для подключения. Примерами являются сопротивления, емкости, индуктивности и диодов.
• Многопортовые элементы - они имеют более двух терминалов. Они подключаются к внешним цепям через несколько пар терминаловназываемые портами . Например, трансформатор с тремя отдельными обмотками имеет шесть терминалов и может быть идеализированнымкачестве элемента три-порта; концы каждой обмотки соединены с парой терминаловкоторые представляют собой порт.
  • Элементы Два порта - это самый распространенные мультипортовых элементы, которые имеют четыре терминаласостоящие из двух портов.

Элементы могут быть также разделены на активные и пассивные:

• Активные элементы или источники - это элементыкоторые могут источник электрической мощности ; примеры являются источниками напряжения и источники тока . Они могут быть использованы для представления идеальных батарей и блоков питания .
  • Зависимые источники - Эти два порта элементы с напряжением или источником токакоторое пропорционально напряжению или току на второй паре клемм. Они используются в моделировании усиления компонентовтаких как транзисторы , вакуумных трубок и операционных усилителей .
• Пассивные элементы - это элементыкоторые не имеют источника энергии, примеры диоды, сопротивлений, емкости и индуктивности.

Еще одно различие между линейными и нелинейными:

• Линейные элементы - это элементыв которых отношение составляющей, соотношение между напряжением и током, является линейной функцией . Они подчиняются принципу суперпозиции . Примеры линейных элементов сопротивление, емкость, индуктивность и зависимые линейные источники. Схемы с только линейными элементами, линейными цепями , не вызывают интермодуляционные искажения , и могут быть легко проанализированы смощных математических методов таких как преобразование Лапласа .
• Нелинейные элементы - это элементыв которых соотношение между напряжением и током является нелинейной функцией . Пример представляет собой диод, в котором ток является экспоненциальной функцией от напряжения. Цепи с нелинейными элементами сложнее анализировать и проектировать, часто требующие моделирования схемы компьютерных программытакие как SPICE .

Однопортовые элементы

Только девяти типов элемента ( пизастор не включен), пять пассивных и четыре активных, необходимо для моделирования любого электрического компонента или цепи. Каждый элемент определяется соотношением между переменным состоянием сети: током , ; напряжения , , заряд , ; и магнитный поток , .

• Два источника:
  • Источник тока , измеряется в амперах - производит ток в проводнике. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Влияет заряд в соответствии с соотношением .
  • Источник напряжения , измеренный в вольтах - производит разность потенциалов между двумя точками. Влияет на магнитный поток в соответствии с соотношением .

в этих отношениях не обязательно представляет собой ничего физически значимого. В случае генератора тока, , интеграл по времени от тока, представляет собой количество электрического заряда физически , подаваемое генератором. Здесь есть интеграл по времени от напряжения , но ли или нет , что представляет собой физическую величину , зависит от природы источника напряжения. Для напряжения , генерируемого за счет магнитной индукции имеет смысл, но для электрохимического источника, или напряжение , которое является выходом другого контура, никакого физического смысла не прикреплен к нему.

Оба эти элементы обязательно являются нелинейными элементами. См # Нелинейные элементы ниже.

• Три пассивные элементы:
  • Сопротивление , измеренный в омах - производит напряжение , пропорциональный ток , протекающий через элемент. Связывает напряжения и тока в соответствии с соотношением .
  • Емкость , измеренная в фарадах - производит ток , пропорциональный скорости изменения напряжения на элементе. Связывает заряд и напряжение в соответствии с соотношением .
  • Индуктивность , измеренная в генри - производит магнитный поток , пропорциональный скорости изменения тока через элемент. Связывает поток и ток в соответствии с соотношением .
• Четыре абстрактные активные элементы:
  • Управляемый напряжением источник напряжения (VCVS) генерирует напряжение на основе другого напряжения относительно заданного коэффициента усиления. (имеет бесконечный входной импеданс и нулевой выходной импеданс).
  • Источник тока , управляемое напряжение (VCCS) генерирует ток на основе напряжения в другом месте в цепи, по отношению к указанному усилению, используемое для моделирования полевых транзисторов и вакуумных трубок (имеет бесконечное входное сопротивление и бесконечный выходной импеданс). Усиления характеризуются передаточной проводимостью , которые будут иметь единица сименсов .
  • Ток-управляемый источник напряжения (CCVS) генерирует напряжение на основе входного тока в другом месте в цепи по отношению к указанной выгоде. (имеет нулевой входной импеданс и нулевой выходной импеданс). Используется для моделирования trancitors . Усиления характеризуется передачи импеданса , который будет иметь единиц Ом .
  • Источник тока управляемый током (ККОС) генерирует ток на основе входного тока и заданного коэффициента усиления. Используется для моделирования биполярных транзисторов . (Имеет нулевой входной импеданс и бесконечный выходной импеданс).

Эти четыре элемента являются примерами двух портов элементов .

Нелинейные элементы

Концептуальные симметрии резистора, конденсатора, катушки индуктивности, и мемристора.

На самом деле, все компоненты схем являются нелинейными и могут быть аппроксимированы только к линейному в течение определенного диапазона. Для того, чтобы более точно описать пассивные элементы, их определяющее соотношение используется вместо простой пропорциональности. Из любых двух переменных цепи имеется шесть определяющие соотношения , которые могут быть сформированы. Из этого можно предположить , что существует теоретическая четвертую пассивного элемента , так как есть только пяти элементов в общих сложности (не включая различные зависимые источники) , найденные в линейном анализе сети. Этот дополнительный элемент называется мемристором . Она имеет только какое -то значение в качестве зависимого от времени нелинейного элемента; как не зависящее от времени линейного элемента сводится к регулярному резистору. Следовательно, это не входит в линейных инвариантных по времени (LTI) схемных моделей. Материальные отношения пассивных элементов определяются;

• Сопротивление: конститутивное отношение определяется как .
• Емкость: конститутивное отношение определяется как .
• Индуктивность: конститутивное отношение определяется как .
• Memristance: конститутивное отношение определяется как .

где произвольная функция от двух переменных.

В некоторых особых случаях определяющее соотношение упрощается функции одной переменной. Это тот случай , для всех линейных элементов, но также, например, идеальный диод , который с точкой зрения теории цепей является нелинейным резистором, имеет конститутивное соотношение вида . Оба независимые напряжения и независимые источники тока можно рассматривать нелинейные резисторы под этим определением.

Четвертый пассивный элемент, пизастор, был предложен Леон Чу в 1971 бумаге, но физический memristance компонент демонстрирующий не был создан до тридцати семи лет спустя. Как сообщалось , 30 апреля 2008 года, что рабочая мемристором была разработана группой специалистов HP Labs под руководством ученого Р. Стенли Уильямса . С появлением мемристоров, каждое спаривание из четырех переменных могут быть связаны между собой .

Есть также два специальных нелинейных элементов, которые иногда используются в анализе, но не являются идеальным аналогом любого реального компонента:

• Nullator : определяется как
• Norator : определяется как элемент , который не накладывает никаких ограничений на напряжения и тока вообще.

Они иногда используются в моделях компонентов с более чем двумя терминалами: транзисторы, например.

элементы Два порта

Все вышеуказанные два-терминал, или один порт , элементы, за исключением зависимых источников. Есть два без потерь, пассивные, линейные двухпортовых элементов, которые обычно вводятся в сетевой анализ. Их определяющие соотношения в матричной форме являются;

Трансформатор

Gyrator

Трансформатора отображает напряжение на один порт к напряжению на другом в соотношении п . Тока между тем же два порта отображаются на 1 / п . Gyrator , с другой стороны, отображает напряжение на одном порту на ток в другом. Подобным же образом, токи преобразуются в напряжения. Величина г в матрице в единицах сопротивления. Gyrator является необходимым элементом в анализе , потому что это не обратная . Сети , построенные из основных линейных элементов только обязаны быть взаимными и поэтому не могут быть использованы сам по себе представляют собой невзаимную систему. Это не важно, однако, иметь как трансформатор и гиратор. Два гираторов в каскаде эквивалентны трансформатор , но трансформатор обычно сохраняются для удобства. Введение гиратора также делает либо емкости или индуктивности несущественные поскольку Gyrator прекращается с одним из них в порт 2 будет эквивалентна другой в порту 1. Однако, трансформатор, емкости и индуктивности , как правило , сохраняются в анализе , поскольку они являются идеальные свойства основной физических компонентов трансформатора , катушка индуктивности и конденсатора , тогда как в практическом гираторе должны быть выполнены в виде активной схемы.

Ниже приведены примеры представления компонентов по пути электрических элементов.

• На первом приближении, А батареи представлены источником напряжения. Более Уточненная модель также включает в себя сопротивление в серии с источником напряжения, чтобы представить внутреннее сопротивление батареи (что приводит к нагреву батареи и опусканию напряжения при его использовании). Источник тока параллельно может быть добавлен , чтобы представить ее утечки (который разряжает батарею в течение длительного периода времени).
• На первом приближении, А резистор представлен сопротивлением. Более Уточненная модель также включает в себя последовательную индуктивность, чтобы представлять воздействие свинца его индуктивности (резисторы , изготовленные в виде спирали имеют более значительную индуктивность). Емкостный параллельно могут быть добавлены , чтобы представить емкостной эффект близости резистора приводит друг к другу. Провод может быть представлен в виде малоценного резистора в
• Источники тока чаще используются при представлении полупроводников . Например, на первом приближении, биполярный транзистор может быть представлена в виде переменного источника тока , который управляется входным током.

Исследование, описанное в статье про электрический элемент, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое электрический элемент и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база