欧姆定律和电路分析的失败

2019年8月23日

欧姆定律在速写本上

即使涉及欧姆定律的实验基本电气工程师的教育的一部分,欧姆定律有其局限性。在高频率,在半导体器件,在一些与反馈电路,电路会表现出非线性响应驱动电压。这说明欧姆定律的失败,它不再正确描述了电流感应电路。结果,使用SPICE-based模拟电路与非线性元素是复杂的,需要专门的技术。

失败的欧姆定律和电路分析的基础

任何已经知道一个基本的物理或电子类欧姆定律。这个简单的经验法则与电流密度材料的电导率,尽管工程师通常把它的电压和电流方程使用V = IR。这一基本定律在电路分析定义了一个线性电路中电压和电流之间的关系。尽管这通常是讨论直流回路,也适用于交流电路。使用等效方程V =工业区,Z是电路元件的阻抗。注意,阻抗是交流信号的频率的函数在电路中传播的,但这并不改变电压和电流之间的线性关系。

因为欧姆定律定义了线性电压之间的关系,它在任何设备分解,展品不恒定跨导。这意味着,电路中通过的电流元素不再是直接用于驱动电路元件的电压成正比。电压和电流图的而不是一条直线,图显示了一个弯曲的关系。元素,表现出这种行为被称为非线性电路元素。

更一般的描述任何电路的行为是使用基尔霍夫定律。这些法律不关心电流和电压之间的关系是线性的或非线性的。他们只解决电压电路在一个循环(基尔霍夫电压定律),或者当前分裂在电路中的一个节点(基尔霍夫电流定律)。两个表述有关基本的物理守恒定律。在非线性电路中元素,目前在一个给定的电路元件上的电压降的功能元素。这使得计算非线性电路的行为更加困难,但是这样的技术小信号分析是理想的模拟电路的行为在一个特定的压降值。

重要的是做一个关于交流电路的区别。仅仅因为交流电路中的电流(或当前通过特定的电路元件)是一个非线性函数的频率不需要,目前也是一个非线性函数的电压。考虑一个电容在交流电路;阻抗是频率的函数,而不是电压,因此电容器仍有一个线性伏安关系和欧姆定律仍然成立。

施密特触发线路图

施密特触发电路是一个例子说明欧姆定律的失败

非线性和欧姆定律的失败

我们认为一些自然现象纯粹是线性的,这完全是不现实的现实。每一个线性系统有其局限性;在电子技术中,非线性影响接管并限制电路元件的响应电压电路元件时变得非常大。尽管电阻被定义为纯粹的线性元素,真正的电阻会表现出非线性在高频率和高电压。

关于高电阻上电压降,碰巧力量评级的电阻,电阻会烧起来才能可靠地观察电阻时非线性电流驱动的直流电压。在一个交流电路,或者在与一连串的数字脉冲驱动电路,电阻膜的粗糙度在电阻器和在焊接点可以产生互调产品,扭曲的形状通过非线性混频信号并生成显然在驱动频率很高(模拟电路)和快速转换的速度和数据速率(数字电路)。

二极管可能是最受欢迎的一个非线性电路元件的例子。二极管的输出电流是一个简单的指数函数的输入电压。其他电路元素,表现出非线性响应包括真空管、晶体管、铁素体以外的变压器和电感器驱动饱和,和放大器驱动信号在高水平。