Elementy nieliniowe stosowane są w różnego typu obwodach elektrycznych. Pełnią ważną rolę, jednak ich stosowanie wymaga odpowiedniego przygotowania całego układu. Czym są nieliniowe elementy obwodu elektrycznego i czym różnią się od elementów liniowych?
Sprawdź aparaturę elektryczną w hurtowni Onninen
Czym są nieliniowe elementy obwodu elektrycznego?
Terminem nieliniowe elementy obwodu elektrycznego określa się te elementy, które nie spełniają zasady proporcjonalności, dotyczącej prądu i napięcia. Mówiąc inaczej — charakterystyka prądowo napięciowa tychże elementów nie jest linią prostą. Kształtująca się nieliniowa relacja pomiędzy prądem i napięciem zależna jest od wielu czynników.
Charakterystyczną cechą nieliniowych elementów danego układu jest brak stałej rezystancji. Zmienia się ona, w zależności od wartości prądu i napięcia w obwodzie. Właściwość ta sprawia, że elementy nieliniowe mogą zachowywać się inaczej, w zależności od warunków pracy.
Elementy nieliniowe, w kontekście charakterystyki prądowo-napięciowej, nie są linią prostą, lecz mogą przybierać bardzo różnorodne kształty. Do wykonania odpowiednich pomiarów niezbędna jest specjalna aparatura elektryczna lub aparatura modułowa.
Elementy nieliniowe w aparaturze elektrycznej (przykłady)
Elementy nieliniowe wykorzystywane są w wielu obwodach elektrycznych. Jednym z przykładów mogą być diody, znajdujące się w wielu urządzeniach. Odpowiada ona za przepuszczanie prądu w sposób jednokierunkowy, zgodnie z kierunkiem przewodzenia. Natomiast w kierunku zaporowym dochodzi w zasadzie do jego całkowitego blokowania. Nieliniowość diody związana jest właśnie z faktem jednokierunkowego przepuszczania, bo prąd przepływający w kierunku przewodzenia nagle wzrasta, aż do momentu osiągnięcia określonego napięcia progowego.
Drugim przykładem elementu nieliniowego może być tranzystor. Dotyczy to zarówno modeli bipolarnych, jak i unipolarnych. W zależności od specyfiki układu mogą one pełnić funkcję przełączników lub wzmacniaczy. Analizując charakterystykę prądowo-napięciową można zauważyć, że w przypadku tranzystorów jest ona mocno skomplikowana. Jest ona bowiem uzależniona od czynników, takich jak: napięcie bazowe czy napięcie bramki. Nieliniowość wynika w tym przypadku ze zbyt małej zmiany napięcia sterującego oraz zmianę prądu na duży na wyjściu.
Element nieliniowy w układzie może być też: tyrystorem, warystorem lub występować jako diak, lub triak.
Różnica między elementami liniowymi, a nieliniowymi obwodów elektrycznych
Mówiąc o różnicy między liniowymi a nieliniowymi elementami w obwodach elektrycznych, można zauważyć, że zasadnicza różnica związana jest z zależnością między prądem oraz napięciem.
Elementami liniowymi są te komponenty układów elektrycznych, które spełniają prawo Ohma. W przypadku elementów liniowych obserwuje się, że napięcie i natężenie prądu charakteryzują się proporcjonalnością. W związku z tym tworząc charakterystykę napięciową (I-V), powstaje linia prosta. Zależność między napięciem i prądem jest liniowa, co znaczy, że zawsze wzrost jednej wartości parametru, spowoduje taki sam wzrost drugiej wartości. W związku z tym zależności mogą być opisywane przy pomocy liniowych równań różniczkowych. W odniesieniu do elementów liniowych zachodzi tzw. superpozycja, co w praktyce oznacza, że generowane odpowiedzi na sygnały wejściowe w układzie mogą być ze sobą sumowane.
W przypadku elementów nieliniowych zależność pomiędzy prądem i napięciem nie jest obserwowana, co powoduje powstanie nieliniowej funkcji charakterystyki prądowo-napięciowej. Na kształtowanie się funkcji wpływ ma wiele czynników zewnętrznych, takich jak temperatura, czy poziom napięcia prądu. Żeby opisać zależności, konieczne jest skorzystanie z równań matematycznych nieliniowych. Dodatkowo nie występuje prawo superpozycji. W praktyce oznacza to, że sygnałów wejściowych nie można sumować. Zmiany nie są bowiem proporcjonalne.
Zastosowanie elementów nieliniowych w obwodach elektrycznych
Elementy nieliniowe obecne są m.in. w branżach, takich jak elektronika. W postaci diody wykorzystywane są w zasilaczach komputerowych oraz ładowarkach urządzeń mobilnych. Jako tranzystory stosowane są w mikroprocesorach oraz wzmacniaczach audio.
Elementy nieliniowe występują ponadto w regulatorach oświetlenia, pozwalają na sterowanie silnikami, znajdują się w listwach zasilających, gdzie pełnią rolę zabezpieczenia przepięciowego. Są elementami wykorzystywanymi w zegarach cyfrowych i jako generatory sygnałowe. Stosowane także w fotokomórkach czy kamerach cyfrowych.
Przewody instalacyjne tworzą obwód elektryczny, ale same w sobie nie są nieliniowe. Jednak jeśli mają działać w takich układach, muszą zostać odpowiednio dopasowane, aby cały obwód działał prawidłowo i bezawaryjnie. Kable i przewody muszą posiadać zdolność do przenoszenia prądu impulsowego oraz muszą być odporne na powstające zakłócenia elektromagnetyczne. Ich rolą jest minimalizacja spadków napięcia, które mogłoby zakłócić działanie poszczególnych komponentów. Obwody, w których występuje przynajmniej jeden element nieliniowy, muszą charakteryzować się wysoką odpornością na przepięcia i ochroną przed przegrzaniem, bez względu na źródła napięcia.