Lineare und nichtlineare Elemente des Stromkreises

Lineare Elemente

Diejenigen Elemente des Stromkreises, bei denen die Abhängigkeit des Stroms von der Spannung I (U) bzw. der Spannung vom Strom U (I) sowie der Widerstand R konstant sind, werden als lineare Elemente des Stromkreises bezeichnet . Dementsprechend wird ein aus solchen Elementen bestehender Stromkreis als linearer Stromkreis bezeichnet.

Lineare Elemente zeichnen sich durch eine linear symmetrische Strom-Spannungs-Kennlinie (CVC) aus, die einer geraden Linie ähnelt, die in einem bestimmten Winkel zu den Koordinatenachsen durch den Ursprung verläuft. Dies zeigt das für lineare Elemente und für lineare Stromkreise Ohm'sches Gesetz strikt eingehalten.

Darüber hinaus können wir nicht nur von Elementen mit rein aktiven Widerständen R sprechen, sondern auch von linearen Induktivitäten L und Kapazitäten C, bei denen die Abhängigkeit des magnetischen Flusses vom Strom — Ф (I) und die Abhängigkeit der Kondensatorladung von der Spannung zwischen seinen Platten – q (U).

Ein Paradebeispiel für ein lineares Element ist Spiraldrahtwiderstand… Der Strom durch einen solchen Widerstand hängt in einem bestimmten Betriebsspannungsbereich linear vom Wert des Widerstands und von der am Widerstand angelegten Spannung ab.

Leiterkennlinie (Strom-Spannungs-Kennlinie) — die Beziehung zwischen der an den Draht angelegten Spannung und dem darin fließenden Strom (normalerweise ausgedrückt als Diagramm).

Bei einem Metallleiter beispielsweise ist der Strom in ihm proportional zur angelegten Spannung und daher ist die Kennlinie eine Gerade. Je steiler die Linie, desto geringer ist der Widerstand des Drahtes. Einige Leiter, bei denen der Strom nicht proportional zur angelegten Spannung ist (z. B. Gasentladungslampen), weisen jedoch eine komplexere, nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie auf.

Nichtlineare Elemente

Wenn für ein Element eines Stromkreises die Abhängigkeit des Stroms von der Spannung oder der Spannung vom Strom sowie der Widerstand R nicht konstant sind, sich also je nach Strom oder angelegter Spannung ändern, dann sind solche Elemente werden als nichtlinear bezeichnet und dementsprechend entsteht ein Stromkreis, der mindestens ein nichtlineares Element enthält nichtlinearer Stromkreis.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie eines nichtlinearen Elements ist im Diagramm nicht mehr eine gerade Linie, sie ist nichtlinear und oft asymmetrisch, wie beispielsweise eine Halbleiterdiode. Für nichtlineare Elemente eines Stromkreises ist das Ohmsche Gesetz nicht erfüllt.

In diesem Zusammenhang können wir nicht nur von einer Glühlampe oder einem Halbleiterbauelement sprechen, sondern auch von nichtlinearen Induktivitäten und Kondensatoren, bei denen der magnetische Fluss Φ und die Ladung q nichtlinear mit dem Spulenstrom oder der Spannung dazwischen zusammenhängen die Platten des Kondensators. Daher sind für sie die Weber-Ampere-Kennlinie und die Coulomb-Volt-Kennlinie nichtlinear, sie werden durch Tabellen, Diagramme oder analytische Funktionen festgelegt.

Ein Beispiel für ein nichtlineares Element ist eine Glühlampe. Wenn der Strom durch den Glühfaden der Lampe zunimmt, steigt seine Temperatur und der Widerstand, was bedeutet, dass er nicht konstant ist und daher dieses Element des Stromkreises nichtlinear ist.

Statischer Widerstand

Für nichtlineare Elemente ist an jedem Punkt ihrer I-V-Kennlinie ein bestimmter statischer Widerstand charakteristisch, d. h. jedem Spannungs-Strom-Verhältnis an jedem Punkt des Diagramms ist ein bestimmter Widerstandswert zugeordnet. Er kann wie folgt berechnet werden der Tangens des Winkels Alpha der Steigung des Diagramms an die horizontale I-Achse, als ob dieser Punkt auf einem Liniendiagramm liegen würde.

Differentialwiderstand

Nichtlineare Elemente haben außerdem einen sogenannten differentiellen Widerstand, der als Verhältnis eines verschwindend kleinen Spannungsanstiegs zur entsprechenden Stromänderung ausgedrückt wird. Dieser Widerstand kann als Tangente des Winkels zwischen der Tangente an die I-V-Kennlinie an einem bestimmten Punkt und der horizontalen Achse berechnet werden.

Dieser Ansatz macht die Analyse und Berechnung einfacher nichtlinearer Schaltkreise so einfach wie möglich.

Die obige Abbildung zeigt die I-V-Kennlinie eines typischen Typs Diode… Es befindet sich im ersten und dritten Quadranten der Koordinatenebene. Dies sagt uns, dass bei einer positiven oder negativen Spannung, die an den pn-Übergang der Diode angelegt wird (in die eine oder andere Richtung), eine Vorwärts- oder Rückwärtsvorspannung vorliegt vom pn-Übergang der Diode. Wenn die Spannung an der Diode in beide Richtungen ansteigt, steigt der Strom zunächst leicht und dann stark an. Aus diesem Grund gehört die Diode zu einem unkontrollierten nichtlinearen bipolaren Netzwerk.

Diese Abbildung zeigt eine Familie mit typischen I-V-Merkmalen. Fotodiode unter verschiedenen Lichtverhältnissen. Der Hauptbetriebsmodus der Fotodiode ist der Sperrvorspannungsmodus, bei dem sich der Strom bei konstantem Lichtfluss Ф in einem ziemlich weiten Bereich von Betriebsspannungen praktisch nicht ändert. Unter diesen Bedingungen führt die Modulation des Lichtflusses, der die Fotodiode beleuchtet, zu einer gleichzeitigen Modulation des Stroms durch die Fotodiode. Somit ist die Fotodiode ein gesteuertes nichtlineares bipolares Gerät.

Das ist VAC ThyristorHier erkennt man die deutliche Abhängigkeit von der Größe des Steuerelektrodenstroms. Im ersten Quadranten befindet sich der Arbeitsabschnitt des Thyristors. Im dritten Quadranten beginnt die I-V-Kennlinie mit einem kleinen Strom und einer großen angelegten Spannung (im geschlossenen Zustand ist der Widerstand des Thyristors sehr hoch). Im ersten Quadranten ist der Strom hoch, der Spannungsabfall gering – der Thyristor ist derzeit geöffnet.

Der Moment des Übergangs vom geschlossenen in den offenen Zustand tritt ein, wenn ein bestimmter Strom an die Steuerelektrode angelegt wird. Der Übergang vom offenen Zustand in den geschlossenen Zustand erfolgt, wenn der Strom durch den Thyristor abnimmt.Somit ist der Thyristor ein gesteuerter nichtlinearer Dreipol (wie ein Transistor, bei dem der Kollektorstrom vom Basisstrom abhängt).