circuit element

Dalam teori rangkaian, elemen rangkaian adalah model matematis dari komponen listrik. Elemen rangkaian dasar meliputi resistor, kapasitor, dan induktor. Setiap rangkaian listrik dapat direpresentasikan dan dianalisis sebagai koneksi antara beberapa komponen; jika komponen juga secara kasar sesuai dengan perangkat fisik yang sebenarnya, representasi tersebut merupakan diagram pengkabelan parameter yang disamakan. Dalam kasus lain, seperti untuk memodelkan saluran transmisi, komponen mewakili elemen yang sangat kecil (skema parameter terdistribusi).

Sementara komponen ideal mewakili perangkat nyata, mereka tidak memiliki padanan fisik nyata karena sifat-sifatnya dianggap ideal, sementara komponen nyata juga memiliki aspek non-ideal, toleransi dari nilai nominal, dan tingkat ketidaklinieran tertentu. Untuk alasan ini, untuk memodelkan dan memperkirakan fungsi komponen nyata dengan mempertimbangkan aspek non-ideal, mungkin perlu untuk merepresentasikannya dengan menggabungkan beberapa komponen ideal yang berbeda. Misalnya, induktor ideal hanya memiliki induktansi dan tidak memiliki resistansi atau kapasitansi tetapi induktor fisik nyata, seperti kumparan, juga memiliki nilai resistansi dan oleh karena itu representasinya dalam diagram komponen ideal didasari oleh induktor ideal yang dihubungkan secara seri dengan resistor yang ideal sehingga dapat memperhitungkan efek dari kedua karakteristik tersebut.

Analisis rangkaian listrik berdasarkan komponen ideal berguna untuk memahami operasi praktis rangkaian listrik nyata: dengan menganalisis dan menggabungkan efek resultan yang dihasilkan oleh komponen ideal, dimungkinkan untuk memperkirakan perilaku efektif nyata.

Tipologi dan klasifikasi

Komponen dapat diklasifikasikan dalam berbagai kategori; salah satunya didasarkan pada jumlah terminal yang tersedia untuk koneksi dengan komponen lain dan membedakan antara:

  • komponen bipolar , disebut bipole adalah yang paling sederhana karena hanya memiliki dua terminal untuk koneksi yang membentuk port listrik. Contohnya adalah resistor, kapasitor, induktor dan dioda
  • komponen multipolar, disebut multipoles terhubung ke perangkat lain melalui sepasang terminal dan setiap pasangan merupakan port listrik. Misalnya, trafo tiga belitan memiliki enam terminal dan idealnya direpresentasikan sebagai elemen tiga port, masing-masing terdiri dari sepasang terminal. Elemen paling umum dari tipe ini adalah komponen dua port, ditandai dengan dua pasang terminal.

Komponen juga dapat dibagi menjadi:

  • komponen aktif atau generator, yang mampu menghasilkan tenaga listrik, seperti generator tegangan atau generator arus. Biasanya mereka digunakan untuk memodelkan baterai dan catu daya. Untuk kategori ini milik
    generator yang dikendalikan di mana tegangan atau arus yang dihasilkan sebanding dengan tegangan atau arus yang       diterapkan ke sepasang terminal lainnya. Mereka digunakan untuk model amplifier seperti transistor, tabung vakum             dan amplifier operasional.
  • komponen pasif yang tidak mampu menghasilkan energi secara mandiri, seperti resistansi, kapasitansi, dan induktansi.

Klasifikasi lebih lanjut terkait dengan hubungan antara besaran listrik dan memungkinkan untuk membedakan antara:

  • komponen linier dimana hubungan antara tegangan dan arus adalah fungsi linier dan prinsip efek superposisi dapat diterapkan . Contoh komponen linier adalah resistor, kapasitor, induktor, dan generator yang dikendalikan linier. Rangkaian yang hanya terdiri dari komponen linier, disebut juga rangkaian linier, tidak menunjukkan fenomena seperti intermodulasi dan dapat dianalisis melalui teknik matematika seperti transformasi Laplace.
  • komponen non-linear dimana hubungan antara tegangan dan arus dapat dinyatakan melalui fungsi non-linear. Contohnya adalah dioda, di mana arus adalah fungsi tegangan eksponensial. Sirkuit yang menyertakan komponen nonlinier lebih kompleks untuk dianalisis dan dirancang, dan seringkali perlu menggunakan program simulasi seperti SPICE .

Komponen bipolar

Komponen dua-kutub atau dua-kutub ditentukan oleh hubungan konstitutif antara variabel keadaan sirkuit berikut:

  • current THE
  • voltage 
  • electric charge 
  • magnetic flux Φ

Generator

Dua jenis generator dasar didefinisikan:

  • Current generator , the output of which is measured in amperes : it generates current in a conductor by varying the electric charge according to the relation=THE.
  • Voltage generator , whose output is measured in volts : generates a voltage between two points by variation of the magnetic flux according to the relationΦ=.

Perlu dicatat bahwa dalam kasus generator arus integral dari waktu ke waktu dari arus yang dihasilkan

Qmewakili jumlah muatan listrik yang disuplai oleh generator, sedangkan dalam kasus tegangan generator setara dengan waktu integral Φ\Phiit tidak selalu mewakili entitas yang signifikan secara fisik tergantung pada sifat generator. Untuk generator tegangan induksi, besaran ini juga memiliki arti fisik sedangkan untuk generator tipe elektrokimia seperti baterai atau untuk tegangan yang merupakan keluaran resultan dari rangkaian lain, besaran ini tidak memiliki arti fisik tetapi hanya matematis.

Komponen-komponen ini adalah tipe nonlinier.

Komponen pasif

Tiga komponen pasif dasar didefinisikan:

  • Resistor : at its ends it has a voltage proportional to the current flowing through it according to the relation=THEwhere is itis the resistance measured in ohms .
  • Capacitor : produces a current proportional to the variation of the voltage across it according to the relation=where is itis the capacitance measured in farads .
  • Inductor : produces a magnetic flux proportional to the variation of the current flowing through the component according to the relationshipΦ=THEwhere is itis inductance measured in henrys

Komponen dua pintu

Komponen dua-port atau double-port dicirikan oleh hubungan konstitutif dua variabel yang menggambarkan perilaku kuantitas yang terlibat pada port output sebagai fungsi dari port input.

Generator yang dikendalikan
Empat jenis komponen aktif didefinisikan:

  • Sumber tegangan yang dikontrol tegangan (VCVS): menghasilkan tegangan sebagai fungsi dari tegangan lain dengan penguatan yang diberikan; itu ditandai dengan impedansi masukan tak terbatas dan impedansi keluaran nol.
  • Sumber arus yang dikontrol tegangan (VCCS): menghasilkan arus sebagai fungsi dari tegangan lain dengan penguatan yang diberikan; misalnya, memodelkan transistor efek medan dan katup termionik dan dicirikan oleh impedansi tak terbatas pada input dan output; gain dicirikan sebagai transkonduktansi dinyatakan dalam siemens.
  • Sumber tegangan yang dikontrol arus (CCVS): menghasilkan tegangan sebagai fungsi dari arus input dengan penguatan yang diberikan; dicirikan oleh impedansi nol pada input dan output dan digunakan sebagai model untuk trancitor komponen teoretis, yang setara dengan transistor tetapi dengan mengacu pada kapasitansi alih-alih resistansi (jenis komponen elektronik ini hanya diteorikan tetapi tidak pernah dibuat); gain dicirikan sebagai transresistansi yang dinyatakan dalam ohm.
  • Sumber arus yang dikontrol arus (CCCS): menghasilkan arus sebagai fungsi dari arus input dengan penguatan yang diberikan; ini menampilkan impedansi input nol dan impedansi keluaran tak terbatas, dan memodelkan transistor persimpangan bipolar.

Komponen pasif

Dua elemen rangkaian pasif, linier dan tanpa kerugian didefinisikan:

  • Transformer : it is an element characterized by the following constitutive relationship
[1THE2]=[0nono0][THE12]

yang mengungkapkan fakta bahwa tegangan yang ada pada port output sebanding dengan tegangan pada port input sesuai dengan rasio
Tidak
tidak, sedangkan arus pada port output sebanding dengan arus pada port input sesuai dengan rasio
1
/
Tidak
{\displaystyle 1/n}.

  • Gyrator : it is an element characterized by the following constitutive relationship
[12]=[00][THE1THE2]

yang mengungkapkan fakta bahwa tegangan masukan diubah menjadi arus keluaran dan, demikian pula, arus masukan diubah menjadi tegangan keluaran menurut suatu faktor

ryang secara dimensi merupakan resistansi.
Gyrator adalah komponen fundamental dalam analisis rangkaian karena merupakan elemen non-resiprokal sedangkan sirkuit yang dibuat dengan komponen linier elementer hanya dapat berupa tipe timbal balik dan oleh karena itu tidak memungkinkan representasi kondisi non-timbal balik. Perlu dicatat bahwa transformator juga dapat direpresentasikan sebagai kaskade dua girator tetapi untuk kesederhanaan diagram ini tidak digunakan. Pada prinsipnya, gyrator membuatnya tidak perlu secara eksplisit mewakili kapasitansi atau induktansi karena kapasitansi (atau induktansi) pada port 2 akan sama dengan induktansi (atau masing-masing kapasitansi) pada port 1. Meskipun demikian, kapasitansi dan induktansi tetap ada dalam diagram karena mereka mewakili sifat ideal dari komponen fisik yang sesuai (transformator nyata,

komponen nonlinier

Simetri konseptual antara resistor, kapasitor, induktor dan memristor
Semua komponen rangkaian fisik sebenarnya tidak linier dan hanya dapat didekati dengan komponen linier sampai batas tertentu. Untuk merepresentasikan komponen pasif dengan lebih tepat, digunakan relasi konstitutif daripada relasi proporsional yang lebih sederhana. Mulai dari dua besaran apa pun, enam hubungan konstitutif dapat didefinisikan dan untuk melengkapi deskripsi ini telah mengarah pada teori komponen pasif keempat, memristor. Komponen ini adalah elemen pemvariasi waktu nonlinier yang di bawah kondisi linier dan invarian waktu direduksi menjadi resistor biasa dan karena alasan ini tidak digunakan dalam model rangkaian invarian waktu linier.

Contoh aplikasi

Berikut adalah beberapa contoh bagaimana perangkat fisik nyata dapat diwakili oleh komponen listrik:

Sebagai perkiraan pertama, baterai dapat direpresentasikan sebagai generator tegangan. Model yang lebih akurat melibatkan penambahan resistor yang terhubung secara seri untuk mewakili resistansi internal baterai (yang menyebabkannya memanas dan menurunkan tegangan selama operasi) dan sumber arus yang terhubung secara paralel untuk mewakili kebocoran arus, yang mana lama-kelamaan menyebabkan baterai habis.
Sebagai pendekatan pertama, sebuah resistor dapat diwakili oleh sebuah resistansi. Model yang lebih akurat juga melibatkan induktansi terhubung seri yang mewakili induktansi konduktor dan kapasitansi paralel yang memodelkan efek kapasitif yang terkait dengan kedekatan terminal satu sama lain.
Kabel dapat direpresentasikan sebagai resistansi bernilai rendah (mungkin juga dengan induktansi dan kapasitansi tertentu).
Generator arus sering digunakan untuk mewakili semikonduktor: misalnya, sebagai pendekatan pertama, transistor bipolar dapat direpresentasikan sebagai generator arus variabel yang dikendalikan oleh arus input.