Nichtlineare Elemente werden in verschiedenen Arten von Stromkreisen verwendet. Sie spielen eine wichtige Rolle, ihr Einsatz erfordert jedoch eine ordnungsgemäße 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 Elemente eines Stromkreises?
Als nichtlineare Elemente eines Stromkreises werden solche Elemente bezeichnet, die hinsichtlich Strom und Spannung nicht dem Grundsatz der Proportionalität genügen. Mit anderen Worten: Die Strom-Spannungs-Kennlinie dieser Elemente ist keine Gerade. Der sich entwickelnde nichtlineare Zusammenhang zwischen Strom und Spannung hängt von vielen Faktoren ab.
Ein charakteristisches Merkmal nichtlinearer Elemente eines bestimmten Systems ist das Fehlen eines konstanten Widerstands. Sie ändert sich je nach Strom und Spannung im Stromkreis. Diese Eigenschaft bedeutet, dass sich nichtlineare Elemente je nach Betriebsbedingungen unterschiedlich verhalten können.
Nichtlineare Elemente sind im Zusammenhang mit Strom-Spannungs-Kennlinien keine gerade Linie, sondern können viele verschiedene Formen annehmen. Um entsprechende Messungen durchzuführen, sind spezielle elektrische Geräte oder modulare Geräte erforderlich.
Nichtlineare Elemente in elektrischen Geräten (Beispiele)
In vielen Stromkreisen werden nichtlineare Elemente verwendet. Ein Beispiel sind Dioden, die in vielen Geräten zu finden sind. Es ist für die unidirektionale Stromübertragung in Leitungsrichtung verantwortlich. In der obstruktiven Richtung ist es jedoch grundsätzlich vollständig blockiert. Die Nichtlinearität der Diode hängt mit der Tatsache der unidirektionalen Leckage zusammen, da der in Vorwärtsrichtung fließende Strom plötzlich ansteigt, bis eine bestimmte Schwellenspannung erreicht wird.
Das zweite Beispiel eines nichtlinearen Elements könnte ein Transistor sein. Dies gilt sowohl für bipolare als auch für unipolare Modelle. Abhängig von den Besonderheiten des Systems können sie als Schalter oder Verstärker fungieren. Bei der Analyse der Strom-Spannungs-Kennlinie erkennt man, dass diese bei Transistoren sehr kompliziert ist. Dies hängt von Faktoren wie der Basisspannung oder der Gate-Spannung ab. In diesem Fall resultiert die Nichtlinearität aus einer zu kleinen Änderung der Steuerspannung und einer zu hohen Änderung des Ausgangsstroms.
Das nichtlineare Element im System kann auch ein Thyristor, ein Varistor oder ein Diac oder Triac sein.
Der Unterschied zwischen linearen und nichtlinearen Elementen elektrischer Schaltkreise
Wenn man über den Unterschied zwischen linearen und nichtlinearen Elementen in Stromkreisen spricht, kann man feststellen, dass der Hauptunterschied mit der Beziehung zwischen Strom und Spannung zusammenhängt.
Lineare Elemente sind jene Komponenten elektrischer Systeme, die dem Ohmschen Gesetz gehorchen. Bei linearen Elementen ist zu beobachten, dass Spannung und Strom proportional sind. Daher wird beim Erstellen einer Spannungskennlinie (IV) eine Gerade erstellt. Die Beziehung zwischen Spannung und Strom ist linear, was bedeutet, dass eine Erhöhung eines Parameterwerts immer zu einer gleichen Erhöhung des anderen Werts führt. Daher können die Zusammenhänge mit linearen Differentialgleichungen beschrieben werden. In Bezug auf lineare Elemente, die sogenannten Überlagerung, 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, wodurch sich eine nichtlineare Funktion der Strom-Spannungs-Kennlinie ergibt. Die Funktion wird durch viele äußere Faktoren wie Temperatur und Spannungsniveau beeinflusst. Zur Beschreibung der Zusammenhänge ist die Verwendung nichtlinearer mathematischer Gleichungen erforderlich. Darüber hinaus gilt das Superpositionsgesetz nicht. In der Praxis bedeutet dies, dass die Eingangssignale nicht summiert werden können. Die Änderungen sind nicht proportional.
Die Verwendung nichtlinearer Elemente in elektrischen Schaltkreisen
Es sind unter anderem nichtlineare Elemente vorhanden: in Branchen wie der Elektronik . In Form von Dioden werden sie in Computer-Netzteilen und Ladegeräten für mobile Geräte eingesetzt. Sie werden als Transistoren in Mikroprozessoren und Audioverstärkern verwendet.
Nichtlineare Elemente finden sich auch in Lichtreglern, sie ermöglichen die Motorsteuerung und in Steckdosenleisten fungieren sie als Überspannungsschutz. Sie sind Elemente, die in Digitaluhren und als Signalgeneratoren verwendet werden. Wird auch in Fotozellen und Digitalkameras verwendet.
Installationskabel bilden einen Stromkreis, sind aber an sich nicht nichtlinear. Damit sie in solchen Systemen funktionieren, müssen sie jedoch richtig aufeinander abgestimmt sein, damit die gesamte Schaltung einwandfrei und fehlerfrei funktioniert. Kabel und Leitungen müssen stoßstromfähig und resistent gegen elektromagnetische Störungen sein. Ihre Aufgabe besteht darin, Spannungsabfälle zu minimieren, die den Betrieb einzelner Komponenten stören könnten. Stromkreise mit mindestens einem nichtlinearen Element müssen unabhängig von der Spannungsquelle über eine hohe Überspannungsfestigkeit und einen Überhitzungsschutz verfügen.
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