Lineárne a nelineárne prvky elektrického obvodu
Lineárne prvky
Tie prvky elektrického obvodu, pre ktoré je závislosť prúdu od napätia I (U) alebo napätia od prúdu U (I), ako aj odpor R konštantná, sa nazývajú lineárne prvky elektrického obvodu. . V súlade s tým sa obvod pozostávajúci z takýchto prvkov nazýva lineárny elektrický obvod.
Lineárne prvky sa vyznačujú lineárne symetrickou charakteristikou prúdového napätia (CVC), ktorá sa podobá priamke prechádzajúcej počiatkom pod určitým uhlom k súradnicovým osám. To ukazuje, že pre lineárne prvky a pre lineárne elektrické obvody Ohmov zákon prísne dodržiavané.
Okrem toho môžeme hovoriť nielen o prvkoch s čisto aktívnymi odpormi R, ale aj o lineárnych indukčnostiach L a kapacitách C, kde závislosť magnetického toku od prúdu — Ф (I) a závislosť náboja kondenzátora od príp. napätie medzi jeho doskami — q (U).
Hlavným príkladom lineárneho prvku je vinutý drôtový odpor… Prúd cez takýto odpor v určitom rozsahu prevádzkového napätia lineárne závisí od hodnoty odporu a od napätia aplikovaného na rezistor.
Charakteristika vodiča (prúdovo-napäťová charakteristika) — vzťah medzi napätím aplikovaným na vodič a prúdom v ňom (zvyčajne vyjadrený ako graf).
Napríklad pre kovový vodič je prúd v ňom úmerný použitému napätiu, a preto je charakteristika priamka. Čím strmšia je čiara, tým nižší je odpor drôtu. Avšak niektoré vodiče, v ktorých prúd nie je úmerný použitému napätiu (napríklad plynové výbojky), majú zložitejšiu, nelineárnu charakteristiku prúdového napätia.
Nelineárne prvky
Ak pre prvok elektrického obvodu závislosť prúdu od napätia alebo napätia od prúdu, ako aj odpor R nie sú konštantné, t.j. menia sa v závislosti od prúdu alebo od použitého napätia, potom takéto prvky sa nazývajú nelineárne a podľa toho vzniká elektrický obvod, ktorý obsahuje aspoň jeden nelineárny prvok nelineárny elektrický obvod.
Prúdovo-napäťová charakteristika nelineárneho prvku už nie je na grafe priamka, je nelineárna a často asymetrická, ako napríklad polovodičová dióda. Ohmov zákon nie je splnený pre nelineárne prvky elektrického obvodu.
V tejto súvislosti môžeme hovoriť nielen o žiarovke alebo polovodičovom zariadení, ale aj o nelineárnych indukčnostiach a kondenzátoroch, kde magnetický tok Φ a náboj q nelineárne súvisia s prúdom cievky alebo s napätím medzi dosky kondenzátora. Preto pre nich budú Weber-ampérové charakteristiky a Coulomb-voltové charakteristiky nelineárne, sú stanovené tabuľkami, grafmi alebo analytickými funkciami.
Príkladom nelineárneho prvku je žiarovka. So zvyšujúcim sa prúdom cez vlákno žiarovky sa zvyšuje jeho teplota a zvyšuje sa odpor, čo znamená, že nie je konštantný a preto je tento prvok elektrického obvodu nelineárny.
Statická odolnosť
Pre nelineárne prvky je v každom bode ich I — V charakteristiky charakteristický určitý statický odpor, to znamená, že každému pomeru napätia a prúdu v každom bode grafu je priradená určitá hodnota odporu. dotyčnica uhla alfa sklonu grafu k vodorovnej osi I, ako keby tento bod ležal na čiarovom grafe.
Diferenciálny odpor
Nelineárne prvky majú tiež takzvaný diferenciálny odpor, ktorý je vyjadrený ako pomer nekonečne malého nárastu napätia k zodpovedajúcej zmene prúdu. Tento odpor možno vypočítať ako tangens uhla medzi dotyčnicou k charakteristike I – V v danom bode a vodorovnou osou.
Tento prístup robí analýzu a výpočet jednoduchých nelineárnych obvodov čo najjednoduchšími.
Vyššie uvedený obrázok ukazuje I – V charakteristiku typického dióda... Nachádza sa v prvom a treťom kvadrante súradnicovej roviny, čo nám hovorí, že pri kladnom alebo zápornom napätí aplikovanom na pn-prechod diódy (v jednom alebo druhom smere) bude dopredné alebo spätné predpätie z pn-prechodu diódy. Keď sa napätie na dióde zvyšuje v oboch smeroch, prúd sa spočiatku mierne zvyšuje a potom prudko stúpa. Z tohto dôvodu patrí dióda do neriadenej nelineárnej bipolárnej siete.
Tento obrázok ukazuje rodinu s typickými I – V charakteristikami. fotodióda za rôznych svetelných podmienok. Hlavným režimom činnosti fotodiódy je režim spätného predpätia, keď pri konštantnom svetelnom toku Ф sa prúd prakticky nemení v pomerne širokom rozsahu prevádzkových napätí. Za týchto podmienok bude mať modulácia svetelného toku osvetľujúceho fotodiódu za následok súčasnú moduláciu prúdu cez fotodiódu. Fotodióda je teda riadené nelineárne bipolárne zariadenie.
Toto je VAC tyristor, tu je vidieť jeho zreteľnú závislosť od veľkosti prúdu riadiacej elektródy. V prvom kvadrante je pracovná časť tyristora. V treťom kvadrante je začiatkom I — V charakteristiky malý prúd a veľké použité napätie (v uzavretom stave je odpor tyristora veľmi vysoký). V prvom kvadrante je prúd vysoký, pokles napätia je malý — tyristor je momentálne otvorený.
Moment prechodu z uzavretého do otvoreného stavu nastáva, keď sa na riadiacu elektródu aplikuje určitý prúd. Prechod z otvoreného stavu do uzavretého stavu nastáva, keď prúd cez tyristor klesá.Tyristor je teda riadený nelineárny trojpólový (ako tranzistor, kde kolektorový prúd závisí od základného prúdu).