ระบบไฟฟ้า
| แม่เหล็กไฟฟ้า |
|---|
 |
เครือข่ายไฟฟ้าคือการเชื่อมต่อกันของส่วนประกอบทางไฟฟ้า ( เช่นแบตเตอรี่ตัวต้านทานตัวเหนี่ยวนำ ตัวเก็บประจุสวิตช์ทรานซิสเตอร์ ) หรือ แบบ จำลอง ของการเชื่อมต่อดังกล่าว ซึ่งประกอบด้วยองค์ประกอบทางไฟฟ้า(เช่นแหล่งจ่ายแรงดันแหล่งจ่ายกระแส ความ ต้านทานตัวเหนี่ยวนำตัวเก็บประจุ ) วงจรไฟฟ้าคือเครือข่ายที่ประกอบด้วยวงปิด ซึ่งเป็นเส้นทางกลับสำหรับกระแสไฟฟ้า ดังนั้น วงจรทั้งหมดจึงเป็นเครือข่าย แต่เครือข่ายทั้งหมดไม่จำเป็นต้องเป็นวงจร (แม้ว่าเครือข่ายที่ไม่มีวงปิดมักถูกเรียกว่าวงจรเปิด )
วงจรต้านทานคือวงจรที่ประกอบด้วยตัวต้านทานและแหล่งจ่ายกระแสและแรงดันในอุดมคติเท่านั้นการวิเคราะห์วงจรต้านทานมีความซับซ้อนน้อยกว่าการวิเคราะห์วงจรที่ประกอบด้วยตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำ หากแหล่งจ่ายเป็นแหล่งจ่ายคงที่ ( DC ) ผลลัพธ์ที่ได้คือวงจร DC ความต้านทานที่มีประสิทธิภาพและคุณสมบัติการกระจายกระแสของวงจรต้านทานใดๆ สามารถจำลองได้โดยใช้การวัดกราฟและคุณสมบัติทางเรขาคณิต[ 1 ]
เครือข่ายที่ประกอบด้วยชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ทำงานอยู่เรียกว่าวงจรไฟฟ้าเครือข่ายดังกล่าวโดยทั่วไปเป็นแบบไม่เชิงเส้นและต้องการเครื่องมือออกแบบและวิเคราะห์ที่ซับซ้อนกว่า
การจำแนกประเภท
ด้วยความเฉื่อยชา
วงจรไฟฟ้าแบบแอคทีฟประกอบด้วยแหล่งจ่ายแรงดันหรือแหล่งจ่ายกระแส อย่างน้อยหนึ่งแหล่ง ที่สามารถจ่ายพลังงานให้กับวงจรได้อย่างต่อเนื่อง ส่วน วงจรไฟฟ้า แบบพาสซีฟนั้นไม่มีแหล่งจ่ายพลังงานแบบแอคทีฟ
วงจรแอคทีฟประกอบด้วยแหล่งกำเนิดแรงเคลื่อนไฟฟ้า ตั้งแต่หนึ่งแหล่งขึ้นไป ตัวอย่างที่เป็นรูปธรรมของแหล่งกำเนิดดังกล่าว ได้แก่แบตเตอรี่หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าองค์ประกอบแอคทีฟสามารถจ่ายพลังงานเข้าสู่วงจร เพิ่มกำลังไฟฟ้า และควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้าภายในวงจรได้
วงจรพาสซีฟไม่มีแหล่งกำเนิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าใดๆ ประกอบด้วยองค์ประกอบพาสซีฟ เช่น ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ
โดยความเป็นเส้นตรง
วงจรไฟฟ้า เชิงเส้นซึ่งเป็นวงจรชนิดพิเศษที่ประกอบด้วยแหล่งกำเนิด (แรงดันหรือกระแส) องค์ประกอบแบบรวมศูนย์เชิงเส้น (ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ ตัวเหนี่ยวนำ) และองค์ประกอบแบบกระจายเชิงเส้น (สายส่ง) เท่านั้น มีคุณสมบัติที่ว่าสัญญาณสามารถซ้อนทับกันได้ในเชิงเส้นดังนั้นจึงวิเคราะห์ได้ง่ายกว่าโดยใช้ วิธีการ ในโดเมนความถี่ ที่มีประสิทธิภาพ เช่นการแปลงลาปลาสเพื่อกำหนดการตอบสนองกระแสตรงการตอบสนองกระแสสลับและ การตอบ สนองชั่วขณะ
โดยทั่วไปแล้ว วงจรพาสซีฟถือว่าเป็นเชิงเส้น แต่ก็มีข้อยกเว้น ตัวอย่างเช่นตัวเหนี่ยวนำที่มีแกนเหล็กสามารถเข้าสู่สภาวะอิ่มตัวได้หากได้รับกระแสไฟฟ้ามากพอ ในบริเวณนี้ พฤติกรรมของตัวเหนี่ยวนำจะไม่เป็นเชิงเส้นอย่างมาก
โดยความขรุขระ
ส่วนประกอบแบบพาส ซีฟที่ไม่ ต่อเนื่อง(ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ และตัวเหนี่ยวนำ) เรียกว่าส่วนประกอบแบบรวมศูนย์ (lumped element) เพราะถือว่าค่าความต้านทาน ความจุ และความเหนี่ยวนำทั้งหมดของส่วนประกอบเหล่านั้นรวมอยู่ที่จุดเดียว ปรัชญาการออกแบบนี้เรียกว่าแบบจำลองส่วนประกอบแบบรวมศูนย์ (lumped-element model ) และวงจรที่ออกแบบตามแบบจำลองนี้เรียกว่าวงจรส่วนประกอบแบบรวมศูนย์ (lumped-element circuits ) นี่คือวิธีการออกแบบวงจรแบบดั้งเดิม ที่ความถี่สูงพอ หรือสำหรับวงจรที่ยาวพอ (เช่นสายส่งไฟฟ้า ) สมมติฐานแบบรวมศูนย์จะไม่สามารถใช้ได้อีกต่อไป เพราะ ขนาดของส่วนประกอบจะกินพื้นที่เป็นสัดส่วนที่สำคัญของความยาวคลื่น จึงจำเป็นต้องใช้แบบจำลองการออกแบบใหม่ที่เรียกว่า แบบจำลองส่วนประกอบแบบกระจาย (distributed-element model ) สำหรับกรณีดังกล่าว วงจรที่ออกแบบตามแบบจำลองนี้เรียกว่าวงจรส่วนประกอบแบบกระจาย
วงจรที่มีองค์ประกอบแบบกระจายตัวซึ่งรวมถึงองค์ประกอบแบบรวมศูนย์บางส่วน เรียกว่า การออกแบบ แบบกึ่งรวมศูนย์ตัวอย่างของวงจรแบบกึ่งรวมศูนย์คือตัวกรองแบบหวี (combline filter )
การจำแนกประเภทของแหล่งข้อมูล
แหล่งข้อมูลสามารถแบ่งออกเป็นแหล่งข้อมูลอิสระและแหล่งข้อมูลที่ขึ้นกับแหล่งข้อมูลอื่นได้
เป็นอิสระ
แหล่งจ่ายไฟอิสระในอุดมคติจะรักษาระดับแรงดันหรือกระแสให้คงที่ โดยไม่ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบอื่นๆ ในวงจร ค่าของมันจะเป็นค่าคงที่ (กระแสตรง) หรือค่าไซน์ (กระแสสลับ) ความแรงของแรงดันหรือกระแสจะไม่เปลี่ยนแปลงไปตามการเปลี่ยนแปลงใดๆ ในเครือข่ายที่เชื่อมต่ออยู่
ขึ้นอยู่กับ
แหล่งจ่ายไฟแบบพึ่งพาจะขึ้นอยู่กับองค์ประกอบเฉพาะใดองค์ประกอบหนึ่งในวงจรในการส่งกำลังไฟฟ้า แรงดันไฟ หรือกระแสไฟฟ้า โดยขึ้นอยู่กับประเภทของแหล่งจ่ายไฟนั้น
การประยุกต์ใช้กฎทางไฟฟ้า
มีกฎทางไฟฟ้าหลายข้อที่ใช้ได้กับวงจรต้านทานเชิงเส้นทั้งหมด ซึ่งรวมถึง:
- กฎกระแสไฟฟ้าของเคิร์ชฮอฟฟ์ : ผลรวมของกระแสไฟฟ้าทั้งหมดที่ไหลเข้าสู่จุดต่อหนึ่งๆ จะเท่ากับผลรวมของกระแสไฟฟ้าทั้งหมดที่ไหลออกจากจุดต่อหนึ่งๆ นั้น
- กฎแรงดันไฟฟ้าของเคิร์ชฮอฟฟ์ : ผลรวมโดยตรงของความต่างศักย์ไฟฟ้าโดยรอบวงจรต้องเป็นศูนย์
- กฎของโอห์ม : แรงดันไฟฟ้าคร่อมตัวต้านทานเท่ากับผลคูณของค่าความต้านทานและกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวต้านทานนั้น
- ทฤษฎีบทของนอร์ตัน : วงจรใดๆ ที่ประกอบด้วยแหล่งจ่ายแรงดันหรือกระแสไฟฟ้าและตัวต้านทาน จะเทียบเท่าทางไฟฟ้ากับแหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้าในอุดมคติที่ต่อขนานกับตัวต้านทานเพียงตัวเดียว
- ทฤษฎีบทของเธเวนิน : วงจรใดๆ ที่ประกอบด้วยแหล่งจ่ายแรงดันหรือกระแสไฟฟ้าและตัวต้านทาน จะเทียบเท่าทางไฟฟ้ากับแหล่งจ่ายแรงดันเดี่ยวที่ต่ออนุกรมกับตัวต้านทานเดี่ยว
- ทฤษฎีบทการซ้อนทับ : ในวงจรเชิงเส้นที่มีแหล่งกำเนิดอิสระหลายแหล่ง การตอบสนองในสาขาใดสาขาหนึ่งเมื่อแหล่งกำเนิดทั้งหมดทำงานพร้อมกัน จะเท่ากับผลรวมเชิงเส้นของการตอบสนองแต่ละส่วนที่คำนวณโดยพิจารณาแหล่งกำเนิดอิสระทีละแหล่ง
การนำกฎเหล่านี้ไปใช้จะทำให้ได้ชุดสมการเชิงเส้นที่สามารถแก้ได้ทั้งด้วยวิธีพีชคณิตหรือวิธีเชิงตัวเลข โดยทั่วไปแล้วกฎเหล่านี้สามารถขยายไปใช้กับวงจรที่มีรีแอกแทนซ์ได้ แต่ไม่สามารถใช้ได้กับวงจรที่มีส่วนประกอบที่ไม่เป็นเชิงเส้นหรือเปลี่ยนแปลงตามเวลา
วิธีการออกแบบ
| การวิเคราะห์เครือข่ายเชิงเส้น | |
|---|---|
| องค์ประกอบ | |
| |
| ส่วนประกอบ | |
| |
| วงจรอนุกรมและวงจรขนาน | |
| |
| การแปลงอิมพีแดนซ์ | |
| |
| ทฤษฎีบทตัวสร้าง | ทฤษฎีบทเครือข่าย |
|
|
| วิธีการวิเคราะห์เครือข่าย | |
| |
| พารามิเตอร์สองพอร์ต | |
| |
ในการออกแบบวงจรไฟฟ้าใดๆ ไม่ว่าจะเป็นแบบอนาล็อกหรือดิจิทัลวิศวกรไฟฟ้าจำเป็นต้องสามารถคาดการณ์แรงดันและกระแสไฟฟ้า ณ ทุกจุดภายในวงจรได้วงจรเชิงเส้น อย่างง่าย สามารถวิเคราะห์ได้ด้วยมือโดยใช้ทฤษฎีจำนวนเชิงซ้อนในกรณีที่ซับซ้อนกว่านั้น วงจรอาจได้รับการวิเคราะห์ด้วยโปรแกรมคอมพิวเตอร์ เฉพาะทาง หรือเทคนิคการประมาณค่า เช่น แบบจำลองเชิงเส้นแบบแบ่งช่วง
ซอฟต์แวร์จำลองวงจร เช่นHSPICE (โปรแกรมจำลองวงจรอนาล็อก) [ 2 ]และภาษาต่างๆ เช่นVHDL-AMSและVerilog-AMSช่วยให้วิศวกรสามารถออกแบบวงจรได้โดยไม่ต้องเสียเวลา ค่าใช้จ่าย และความเสี่ยงต่อข้อผิดพลาดที่เกี่ยวข้องกับการสร้างต้นแบบวงจร
ซอฟต์แวร์จำลองเครือข่าย
วงจรที่ซับซ้อนกว่าสามารถวิเคราะห์ได้ด้วยวิธีเชิงตัวเลขโดยใช้ซอฟต์แวร์เช่นSPICEหรือGNUCAP หรือ ด้วยวิธีเชิงสัญลักษณ์โดยใช้ซอฟต์แวร์เช่นSapWin
การทำให้เป็นเชิงเส้นรอบจุดปฏิบัติการ
เมื่อเผชิญกับวงจรใหม่ ซอฟต์แวร์จะพยายามหาคำตอบในสภาวะคง ที่ก่อน นั่นคือ คำตอบที่ทุกจุดในวงจรเป็นไปตามกฎกระแสของ Kirchhoff และแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมและผ่านแต่ละองค์ประกอบของวงจรเป็นไปตามสมการแรงดัน/กระแสที่ควบคุมองค์ประกอบนั้น
เมื่อพบคำตอบสภาวะคงที่แล้วจุดการทำงานของแต่ละองค์ประกอบในวงจรก็จะทราบได้ สำหรับการวิเคราะห์สัญญาณขนาดเล็ก องค์ประกอบที่ไม่เป็นเชิงเส้นทุกตัวสามารถทำให้เป็นเชิงเส้นรอบจุดการทำงานเพื่อหาค่าประมาณของแรงดันและกระแสในสัญญาณขนาดเล็ก ซึ่งเป็นการประยุกต์ใช้กฎของโอห์ม เมทริกซ์วงจรเชิงเส้นที่ได้สามารถแก้ไขได้ด้วยวิธีการกำจัดแบบเกาส์เซียน
การประมาณเชิงเส้นแบบแบ่งช่วง
ซอฟต์แวร์อย่างเช่น อินเทอร์เฟ ซ PLECSสำหรับSimulinkใช้ การประมาณค่า เชิงเส้นแบบแบ่งช่วงของสมการที่ควบคุมองค์ประกอบของวงจร วงจรจะถูกมองว่าเป็นเครือข่ายเชิงเส้นที่สมบูรณ์ของไดโอดในอุดมคติทุกครั้งที่ไดโอดเปลี่ยนสถานะจากเปิดเป็นปิดหรือในทางกลับกัน การกำหนดค่าของเครือข่ายเชิงเส้นก็จะเปลี่ยนแปลง การเพิ่มรายละเอียดเพิ่มเติมในการประมาณค่าสมการจะเพิ่มความแม่นยำของการจำลอง แต่ก็เพิ่มเวลาในการทำงานด้วย
ดูเพิ่มเติม
การเป็นตัวแทน
ระเบียบวิธีออกแบบและวิเคราะห์
การวัด
การเปรียบเทียบ
- การเปรียบเทียบทางไฮดรอลิก
- การเปรียบเทียบเชิงกล-ไฟฟ้า
- การเปรียบเทียบอิมพีแดนซ์ (การเปรียบเทียบแบบแม็กซ์เวลล์)
- การเปรียบเทียบการเคลื่อนที่ (การเปรียบเทียบแบบไฟร์สโตน)
- การเปรียบเทียบแบบผ่านและข้าม (การเปรียบเทียบแบบเทรนต์)