Nichtlineare Elemente werden in verschiedenen Arten von Stromkreisen verwendet. Sie spielen eine wichtige Rolle, erfordern jedoch eine entsprechende Vorbereitung des gesamten Systems. Was sind nichtlineare Elemente eines Stromkreises und wie unterscheiden sie sich von linearen Elementen?
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Was sind nichtlineare elektrische Schaltungselemente?
Als nichtlineare Elemente eines Stromkreises werden solche bezeichnet, die das Proportionalitätsprinzip hinsichtlich Strom und Spannung nicht erfüllen. Anders ausgedrückt: Die Strom-Spannungs-Kennlinie dieser Elemente ist keine Gerade. Die entstehende nichtlineare Beziehung zwischen Strom und Spannung hängt von vielen Faktoren ab.
Ein charakteristisches Merkmal nichtlinearer Elemente eines Systems ist das Fehlen eines konstanten Widerstands. Dieser ändert sich abhängig von Stromstärke und Spannung im Stromkreis. Diese Eigenschaft bedeutet, dass sich nichtlineare Elemente je nach Betriebsbedingungen unterschiedlich verhalten können.
Nichtlineare Elemente im Zusammenhang mit Strom-Spannungs-Kennlinien sind keine Geraden, sondern können sehr unterschiedliche Formen annehmen. Um entsprechende Messungen durchführen zu können, sind spezielle elektrische Geräte oder modulare Ausrüstung erforderlich.
Nichtlineare Elemente in elektrischen Geräten (Beispiele)
Nichtlineare Elemente kommen in vielen elektrischen Schaltungen zum Einsatz. Ein Beispiel ist die Diode, die in vielen Geräten zu finden ist. Sie sorgt dafür, dass Strom unidirektional, also in Leitungsrichtung, fließt. In Sperrrichtung ist sie jedoch grundsätzlich vollständig gesperrt. Die Nichtlinearität der Diode hängt mit dem unidirektionalen Durchgang zusammen, da der in Leitungsrichtung fließende Strom bis zum Erreichen einer bestimmten Schwellenspannung plötzlich ansteigt.
Das zweite Beispiel für ein nichtlineares Element ist ein Transistor. Dies gilt sowohl für bipolare als auch für unipolare Modelle. Je nach System können sie als Schalter oder Verstärker fungieren. Die Analyse der Strom-Spannungs-Kennlinie zeigt, dass dies bei Transistoren sehr komplex ist. Sie hängt von Faktoren wie der Basisspannung oder der Gate-Spannung ab. In diesem Fall resultiert die Nichtlinearität aus einer zu geringen Änderung der Steuerspannung und einer Änderung des Ausgangsstroms zu einem zu großen Strom.
Ein nichtlineares Element in der Schaltung kann auch ein Thyristor, ein Varistor oder ein Diac bzw. Triac sein.
Der Unterschied zwischen linearen und nichtlinearen Elementen elektrischer Schaltkreise
Wenn man über den Unterschied zwischen linearen und nichtlinearen Elementen in elektrischen Schaltkreisen spricht, kann man feststellen, dass der grundlegende Unterschied mit der Beziehung zwischen Strom und Spannung zusammenhängt.
Lineare Elemente sind Komponenten elektrischer Systeme, die dem Ohmschen Gesetz genügen. Bei linearen Elementen ist zu beachten, dass Spannung und Strom proportional zueinander sind. Daher ergibt sich bei der Erstellung einer Spannungskennlinie (IV) eine Gerade. Die Beziehung zwischen Spannung und Strom ist linear, d. h. eine Erhöhung eines Parameterwerts führt stets zu einer gleich großen Erhöhung des anderen Werts. Daher lassen sich diese Beziehungen mit linearen Differentialgleichungen beschreiben. Bei linearen Elementen kommt es zur sogenannten Superposition, was in der Praxis bedeutet, dass die erzeugten Reaktionen auf Eingangssignale im System summiert werden können.
Bei nichtlinearen Elementen wird der Zusammenhang zwischen Strom und Spannung nicht beachtet, was zur Bildung einer nichtlinearen Funktion der Strom-Spannungs-Kennlinie führt. Die Entstehung der Funktion wird von vielen externen Faktoren wie der Temperatur oder der Höhe von Strom und Spannung beeinflusst. Zur Beschreibung dieser Zusammenhänge sind nichtlineare mathematische Gleichungen erforderlich. Zudem gilt das Superpositionsgesetz nicht. In der Praxis bedeutet dies, dass Eingangssignale nicht summiert werden können. Die Änderungen sind nicht proportional.
Anwendung nichtlinearer Elemente in elektrischen Schaltungen
Nichtlineare Elemente kommen in Branchen wie der Elektronik vor. In Form von Dioden werden sie in Computernetzteilen und Ladegeräten für Mobilgeräte eingesetzt. Als Transistoren kommen sie in Mikroprozessoren und Audioverstärkern zum Einsatz.
Nichtlineare Elemente finden sich auch in Lichtreglern, ermöglichen die Motorsteuerung und dienen in Steckdosenleisten als Überspannungsschutz. Sie kommen in Digitaluhren und als Signalgeber zum Einsatz. Auch in Fotozellen oder Digitalkameras kommen sie zum Einsatz.
Installationskabel bilden einen Stromkreis, sind aber selbst nicht nichtlinear. Für den Betrieb in solchen Systemen müssen sie jedoch korrekt angepasst sein, damit der gesamte Stromkreis korrekt und störungsfrei funktioniert. Kabel und Leitungen müssen impulsstromfähig und resistent gegen elektromagnetische Störungen sein. Ihre Aufgabe ist es, Spannungsabfälle zu minimieren, die den Betrieb einzelner Komponenten stören könnten. Stromkreise mit mindestens einem nichtlinearen Element müssen unabhängig von der Spannungsquelle eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Überspannungen und Überhitzung aufweisen.