Componenta electrică

O componentă electrică sau componentă de circuit sau element electric este o abstractizare conceptuală care reprezintă în mod ideal dispozitive electrice elementare reale precum rezistențe , condensatori și inductori pentru analiza teoretică a circuitelor electrice . Fiecare circuit electric poate fi reprezentat și analizat sub formă de conexiuni între mai multe componente; dacă și componenta corespunde aproximativ dispozitivului fizic real, reprezentarea constituie o diagramă electrică cu parametri aglomerați . În alte cazuri, cum ar fi de exemplu pentru modelarea liniilor de transmisie, componentele reprezintă elemente infinitezimale (schemă de parametri distribuiți).

Componentele ideale, deși reprezintă dispozitive reale, nu au un echivalent fizic adevărat, deoarece proprietățile lor sunt presupuse a fi ideale, în timp ce componentele reale au, de asemenea, aspecte non-ideale, toleranțe față de valoarea nominală și anumite grade de neliniaritate . Din acest motiv, pentru a modela și aproxima funcționarea unei componente reale luând în considerare aspecte non-ideale, poate fi necesar să o reprezentăm prin combinarea mai multor componente ideale diferite. De exemplu, un inductor ideal este caracterizat doar de inductanță și nu are nici rezistență, nici capacitate, ci un inductor fizic real, cum ar fi o bobină , are și o valoare de rezistență și, prin urmare, reprezentarea sa într-o diagramă componentă ideală constă dintr-un inductor ideal conectat în serie la un rezistor ideal, astfel încât efectele ambelor caracteristici să poată fi luate în considerare.

Analiza circuitului bazată pe componente ideale este utilă pentru înțelegerea funcționării practice a circuitelor electrice reale: prin analiza și combinarea efectelor rezultate generate de componentele ideale este posibil să se estimeze comportamentul real real.

Tipuri și clasificare

Componentele pot fi clasificate în diferite categorii; una dintre acestea se bazează pe numărul de terminale disponibile pentru conexiunile cu celelalte componente și face distincția între:

componente bipolare , cele mai simple, care au doar două terminale pentru conectare. Exemple sunt rezistențele, capacitățile, inductanțele și diodele
componente multipolare care se conectează la alte dispozitive prin perechi de terminale. Fiecare pereche de terminale constituie o „ușă”. De exemplu, un transformator cu trei înfășurări are șase terminale și este reprezentat în mod ideal ca un element cu trei porturi, fiecare constând dintr-o pereche de terminale. Cele mai comune elemente de acest tip sunt componentele cu două porturi, caracterizate prin două perechi de terminale.

Componentele pot fi, de asemenea, împărțite în:

componente active sau generatoare , capabile să genereze energie electrică , cum ar fi generatoare de tensiune sau generatoare de curent. De obicei, acestea sunt utilizate pentru modelarea bateriilor și a surselor de alimentare . La această categorie aparțin
- generatoare controlate în care tensiunea sau curentul generat este proporțional cu tensiunea sau curentul aplicat unei alte perechi de terminale. Acestea sunt utilizate pentru modelarea amplificatoarelor, cum ar fi tranzistoarele , tuburile de vid și amplificatoarele operaționale .
componente pasive care nu sunt capabile să genereze independent energie, precum rezistențe, capacități și inductanțe.

O altă clasificare este legată de relația dintre mărimile electrice și face posibilă distincția între:

componente liniare în care relația dintre tensiune și curent este o funcție liniară și se poate aplica principiul suprapunerii efectelor . Exemple de componente liniare sunt rezistențele, capacitățile, inductanțele și generatoarele controlate liniar. Circuitele compuse doar din componente liniare, numite și circuite liniare , nu prezintă fenomene precum intermodulația și pot fi analizate folosind tehnici matematice puternice precum transformata Laplace .
componente neliniare în care relația dintre tensiune și curent poate fi exprimată printr-o funcție neliniară. Un exemplu este dioda, unde curentul este o funcție exponențială a tensiunii. Circuitele care includ componente neliniare sunt mai complexe de analizat și proiectat, iar programele de simulare precum SPICE sunt deseori necesare.

Componente bipolare

Elementele bipolare sunt definite de o relație constitutivă între următoarele variabile de stare ale unui circuit:

actual $THE$ ${\ displaystyle I}$ $THE$
diferenta potentiala $V.$ ${\ displaystyle V}$ $V.$
incarcare electrica $Î$ ${\ displaystyle Q}$ $Î$
flux magnetic $\Phi$ ${\ displaystyle \ Phi}$ $\ Phi$

Generatoare

Sunt definite două tipuri de bază de generatoare:

Generator de curent , a cărui ieșire este măsurată în amperi : generează curent într-un conductor variind sarcina electrică în funcție de relația $dQ=-I\,dt$ ${\ displaystyle dQ = -I \, dt}$ ${\ displaystyle dQ = -I \, dt}$ .
Generator de tensiune , a cărui ieșire este măsurată în volți : generează o diferență de potențial electric între două puncte prin variația fluxului magnetic în funcție de relație $d\Phi =V\,dt$ ${\ displaystyle d \ Phi = V \, dt}$ ${\ displaystyle d \ Phi = V \, dt}$ .

Rețineți că, în cazul generatorului de curent, integrala temporală a curentului generat $Î$ ${\ displaystyle Q}$ $Î$ reprezintă cantitatea de încărcare electrică furnizată de generator, în timp ce în cazul generatorului de tensiune echivalentul integral în timp de $\Phi$ ${\ displaystyle \ Phi}$ $\ Phi$ nu reprezintă întotdeauna o entitate semnificativă fizic în funcție de natura generatorului. Pentru un generator de tensiune de inducție, această cantitate are, de asemenea, o semnificație fizică, în timp ce pentru un generator de tip electrochimic, cum ar fi o baterie sau pentru o tensiune care este ieșirea rezultată a unui alt circuit, această cantitate nu are nicio semnificație fizică, ci doar matematică.

Aceste componente sunt de tip neliniar.

Componente pasive

Sunt definite trei componente pasive fundamentale:

Rezistor : la capetele sale are o diferență de potențial proporțională cu curentul care curge prin el în funcție de relație $dV=R\,dI$ ${\ displaystyle dV = R \, dI}$ ${\ displaystyle dV = R \, dI}$ unde este $R.$ ${\ displaystyle R}$ $R.$ este rezistența măsurată în ohmi .
Condensator : produce un curent proporțional cu variația tensiunii din acesta în funcție de relație $dQ=C\,dV$ ${\ displaystyle dQ = C \, dV}$ ${\ displaystyle dQ = C \, dV}$ unde este $C.$ ${\ displaystyle C}$ $C.$ este capacitatea măsurată în farade .
Inductor : produce un flux magnetic proporțional cu variația curentului care trece prin componentă în funcție de relație $d\Phi =L\,dI$ ${\ displaystyle d \ Phi = L \, dI}$ ${\ displaystyle d \ Phi = L \, dI}$ unde este $L$ ${\ displaystyle L}$ $L$ este inductanța măsurată în Henry .

Componente cu două uși

Componentele cu două uși sau bipole duble sunt caracterizate printr-o relație constitutivă cu două variabile care descrie comportamentul cantităților implicate pe ușile de ieșire în funcție de cel de pe ușile de intrare.

Generatoare controlate

Sunt definite patru tipuri de componente active:

Sursă de tensiune controlată de tensiune (VCVS): generează o diferență de potențial în funcție de o altă diferență de potențial cu un anumit câștig ; Se caracterizează printr-o impedanță în impedanță de intrare infinită și nu iese nimic.
Sursa de curent controlat de tensiune (VCCS): generează un curent în funcție de o altă diferență de potențial cu un anumit câștig; de exemplu, modelează tranzistoare cu efect de câmp și tuburi termionice și se caracterizează prin impedanță infinită atât la intrare, cât și la ieșire; câștigul este caracterizat ca o transconductanță exprimată în siemens .
Sursă de tensiune controlată de curent (CCVS): generează o diferență de potențial în funcție de un curent de intrare cu un anumit câștig; este caracterizat de o impedanță zero atât la intrare, cât și la ieșire și este folosit ca model pentru componenta teoretică a trancitorului , care este echivalentul tranzistorului, dar cu referire la capacitate în loc de rezistență (acest tip de componentă electronică are doar a fost teoretizat, dar niciodată creat); câștigul este caracterizat ca o rezistență exprimată în ohmi.
Sursa de curent controlat de curent (CCCS): generează un curent în funcție de un curent de intrare cu un anumit câștig; are impedanță de intrare zero și impedanță de ieșire infinită și modelează tranzistoare de joncțiune bipolare .

Componente pasive

Sunt definite două elemente de circuit pasive, liniare și fără pierderi:

Transformator : este un element caracterizat prin următoarea relație constitutivă

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

{\ 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}}}

{\ 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}}}

care exprimă faptul că diferența de potențial prezentă pe poarta de ieșire este proporțională cu diferența de potențial pe poarta de intrare conform unui raport

n

{\ displaystyle n}

n

, în timp ce curentul de pe portul de ieșire este proporțional cu curentul de pe portul de intrare conform unui raport

1/n

{\ displaystyle 1 / n}

{\ displaystyle 1 / n}

.

Giratore : este un element caracterizat prin următoarea relație constitutivă

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

{\ 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}}}

{\ 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}}}

care exprimă faptul că diferența de potențial de intrare este convertită într-un curent de ieșire și, în mod similar, curentul de intrare este convertit într-o diferență de potențial de ieșire în funcție de un factor

r

{\ displaystyle r}

r

care dimensional este o rezistență.

Giratorul este o componentă fundamentală în analiza circuitului, deoarece este un element non-reciproc, în timp ce circuitele realizate cu componentele liniare elementare pot fi doar de tip reciproc și, prin urmare, nu permit să reprezinte condiții de non-reciprocitate. Trebuie remarcat faptul că un transformator poate fi, de asemenea, reprezentat ca o cascadă de doi rotori, dar, pentru simplitate, această schemă nu este utilizată. În principiu, un girator face inutilă reprezentarea explicită a capacității sau inductanței deoarece o capacitate (sau inductanță) pe portul 2 ar fi echivalentul unei inductanțe (sau respectiv capacitate) pe portul 1. În ciuda acestei capacități și inductanțe rămân totuși în diagrame deoarece reprezintă proprietățile ideale ale componentelor fizice corespunzătoare (transformatoare reale, condensatoare și inductoare) și un girator real necesită de fapt un circuit de tip activ. ^[1] ^[2] ^[3]

Componente neliniare

Simetrie conceptuală între rezistență, condensator, inductor și memristor

Toate componentele circuitului fizic sunt de fapt neliniare și pot fi aproximate numai cu componente liniare până la un anumit punct. Pentru a reprezenta componentele pasive mai corect, se folosește mai degrabă o relație constitutivă decât relațiile proporționale mai simple. Pornind de la oricare două cantități, se pot defini șase relații constitutive și, pentru a completa descrierea, aceasta a condus la teoria unei a patra componente pasive, memristorul . Această componentă este un element neliniar care variază în timp, care în condiții liniare și invariante în timp este redus la un rezistor obișnuit și din acest motiv nu este utilizat în modele de circuite liniare invariante în timp.

Relațiile constitutive ale elementelor pasive sunt, prin urmare, definite ca: ^[4]

rezistenta: $f(V,I)=0$ ${\ displaystyle f (V, I) = 0}$ ${\ displaystyle f (V, I) = 0}$
capacitate: $f(V,Q)=0$ ${\ displaystyle f (V, Q) = 0}$ ${\ displaystyle f (V, Q) = 0}$
inductanţă: $f(\Phi ,I)=0$ ${\ displaystyle f (\ Phi, I) = 0}$ ${\ displaystyle f (\ Phi, I) = 0}$
calitatea de membru : $f(\Phi ,Q)=0$ ${\ displaystyle f (\ Phi, Q) = 0}$ ${\ displaystyle f (\ Phi, Q) = 0}$

unde este

f(x,y)

{\ displaystyle f (x, y)}

f (x, y)

este o funcție arbitrară cu două variabile.

În anumite condiții, relația constitutivă poate fi simplificată la o singură funcție variabilă: acesta este cazul tuturor elementelor liniare, dar și a diodei ideale, care este un rezistor neliniar cu o relație constitutivă de tip $V=f(I)$ ${\ displaystyle V = f (I)}$ ${\ displaystyle V = f (I)}$ . Trebuie remarcat faptul că generatoarele independente de tensiune și curent conform acestei definiții pot fi considerate rezistențe neliniare. ^[4]

Cea de-a patra componentă pasivă, memristore, a fost propusă de Leon Chua într-o publicație din 1971, însă prima componentă fizică care a demonstrat memristence a fost realizată doar 37 de ani mai târziu: la 30 aprilie 2008 a fost anunțat că un grup de oameni de știință de la HP Labs a condus de R. Stanley Williams reușise să facă un memristor funcțional. ^[5] ^[6] ^[7] ^[8] Cu acest rezultat, a devenit posibil să se realizeze orice combinație a celor patru variabile fundamentale.

De asemenea, sunt definite două componente neliniare speciale care sunt uneori utilizate în analiză, dar care nu corespund niciunui tip de componentă reală:

nulator : definit de $V=I=0$ ${\ displaystyle V = I = 0}$ ${\ displaystyle V = I = 0}$
norator : definit ca un element care nu impune niciun fel de restricții asupra diferențelor de potențial și curent și reprezintă o sursă infinită.

Aceste componente sunt uneori folosite pentru a modela componente reale cu mai mult de două terminale, cum ar fi tranzistoarele. ^[4]

Exemple de aplicații

Iată câteva exemple despre modul în care dispozitivele fizice reale pot fi reprezentate prin intermediul componentelor electrice:

Ca primă aproximare, o baterie poate fi reprezentată ca un generator de tensiune. Un model mai precis presupune adăugarea unui rezistor conectat în serie care reprezintă rezistența internă a bateriei (ceea ce determină încălzirea și scăderea tensiunii în timpul funcționării) și un generator de curent conectat în paralel pentru a reprezenta pierderea de curent, care în timp cauzează epuizarea bateriei.
Ca o primă aproximare, un rezistor poate fi reprezentat cu o rezistență. Un model mai precis include, de asemenea, o inductanță conectată în serie care reprezintă inductanța conductorului și o capacitate în paralel care modelează efectele capacitive legate de proximitatea terminalelor.
Un cablu poate fi reprezentat ca un rezistor de valoare mică.
Pentru a reprezenta semiconductori , se folosesc deseori generatoare de curent: de exemplu, într-o primă aproximare un tranzistor bipolar poate fi reprezentat ca un generator de curent variabil controlat de curentul de intrare.

Notă

^ (EN) CL Wadhwa, Analiza și sinteza rețelei, New Age International, pp. 17-22, ISBN 81-224-1753-1 .
^ (EN) Herbert J. Carlin și Pier Paolo Civalleri, Wideband circuit design, CRC Press, 1998, pp. 171–172, ISBN 0-8493-7897-4 .
^ (EN) Vjekoslav Damić și John Montgomery, Mecatronica prin grafice de legături: o abordare orientată obiect spre modelare și simulare, Springer, 2003, pp. 32-33, ISBN 3-540-42375-3 .
^ ^a ^b ^c ( EN ) Ljiljana Trajković, Circuite neliniare , în Wai-Kai Chen (ed.), Manualul de inginerie electrică , Academic Press, 2005, pp. 75-77, ISBN 0-12-170960-4 .
^ (EN) Dmitri Strukov B, Gregory S Snider, Duncan R Stewart și R Stanley Williams, Memristorul dispărut găsit , în Nature, vol. 453, n. 7191, 2008, pp. 80–83, Bibcode : 2008 Natur.453 ... 80S , DOI : 10.1038 / nature06932 , PMID 18451858 .
^ ( RO ) Memristorul „Link lipsă” a fost creat , în EETimes , 30 aprilie 2008.
^ (RO) Inginerii găsesc „veriga lipsă” a electronicii , a newscientist.com, 30 aprilie 2008.
^ (EN) Cercetătorii demonstrează existența unui nou element de bază pentru circuite electronice - „memristor” , pe physorg.com , 30 aprilie 2008.

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe componente electrice

Portal electronic

Portal electrotehnic

[1] (EN) CL Wadhwa, Analiza și sinteza rețelei, New Age International, pp. 17-22, ISBN 81-224-1753-1 .

[2] (EN) Herbert J. Carlin și Pier Paolo Civalleri, Wideband circuit design, CRC Press, 1998, pp. 171–172, ISBN 0-8493-7897-4 .

[3] (EN) Vjekoslav Damić și John Montgomery, Mecatronica prin grafice de legături: o abordare orientată obiect spre modelare și simulare, Springer, 2003, pp. 32-33, ISBN 3-540-42375-3 .

[Trajkovic-4] ( EN ) Ljiljana Trajković, Circuite neliniare , în Wai-Kai Chen (ed.), Manualul de inginerie electrică , Academic Press, 2005, pp. 75-77, ISBN 0-12-170960-4 .

[5] (EN) Dmitri Strukov B, Gregory S Snider, Duncan R Stewart și R Stanley Williams, Memristorul dispărut găsit , în Nature, vol. 453, n. 7191, 2008, pp. 80–83, Bibcode : 2008 Natur.453 ... 80S , DOI : 10.1038 / nature06932 , PMID 18451858 .

[6] ( RO ) Memristorul „Link lipsă” a fost creat , în EETimes , 30 aprilie 2008.

[7] (RO) Inginerii găsesc „veriga lipsă” a electronicii , a newscientist.com, 30 aprilie 2008.

[8] (EN) Cercetătorii demonstrează existența unui nou element de bază pentru circuite electronice - „memristor” , pe physorg.com , 30 aprilie 2008.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]