Электронно-гидравлические аналогии представляют собой представление электронных схем гидравлическими схемами. Поскольку электрический ток невидим, а процессы, происходящие в электронике, часто трудно продемонстрировать, различные электронные компоненты представлены гидравлическими эквивалентами. Электричество (как и тепло ) изначально понималось как вид жидкости , и названия некоторых электрических величин (таких как ток) произошли от гидравлических эквивалентов.
Электронно -гидравлическая аналогия (насмешливо именуемая Оливером Лоджем теорией дренажной трубы ) [1] является наиболее широко используемой аналогией для «электронной жидкости» в металлическом проводнике . Как и все аналогии, она требует интуитивного и компетентного понимания базовых парадигм (электроники и гидравлики), а в случае гидравлической аналогии для электроники студенты часто имеют неадекватные знания гидравлики. [2]
Аналогию можно также использовать в обратном порядке, чтобы объяснить или смоделировать гидравлические системы с помощью электронных схем, как при описании эффекта Виндкесселя .
Не существует единой парадигмы для установления этой аналогии. Различные парадигмы имеют разные сильные и слабые стороны, в зависимости от того, как и какими способами интуитивное понимание источника аналогии соотносится с явлениями в электронике. [2] Для введения концепции студентам можно использовать две парадигмы, используя давление, вызванное гравитацией или насосами.
В версии с давлением, вызванным гравитацией, большие резервуары с водой удерживаются высоко или заполняются до разных уровней воды, а потенциальная энергия напора воды является источником давления. Это напоминает электрические схемы со стрелкой вверх, указывающей на +V, заземленные штыри, которые в противном случае не показаны подключенными к чему-либо, и т. д. Это имеет преимущество, поскольку связывает электрический потенциал с гравитационным потенциалом .
Вторая парадигма — полностью закрытая версия с насосами, обеспечивающими только давление и отсутствие гравитации. Это напоминает схему цепи с показанным источником напряжения и проводами, фактически замыкающими цепь. Эта парадигма более подробно обсуждается ниже.
Другие парадигмы подчеркивают сходство между уравнениями, управляющими потоком жидкости и потоком заряда. Переменные потока и давления могут быть рассчитаны как в стационарных, так и в переходных ситуациях потока жидкости с использованием аналогии гидравлического ома . [3] [4] Гидравлические омы являются единицами гидравлического сопротивления, которое определяется как отношение давления к объемному расходу. Переменные давления и объемного расхода рассматриваются как векторные компоненты в этом определении, поэтому обладают фазой и величиной. [5]
Несколько иная парадигма используется в акустике, где акустический импеданс определяется как отношение между акустическим давлением и скоростью акустических частиц. В этой парадигме большая полость с отверстием аналогична конденсатору, который хранит энергию сжатия, когда зависящее от времени давление отклоняется от атмосферного давления. Отверстие (или длинная трубка) аналогично индуктору, который хранит кинетическую энергию, связанную с потоком воздуха. [6]
В общем случае электрический потенциал эквивалентен гидравлическому напору . Эта модель предполагает, что вода течет горизонтально, так что силу тяжести можно игнорировать. В этом случае электрический потенциал эквивалентен давлению . Напряжение (или падение напряжения или разность потенциалов ) представляет собой разницу в давлении между двумя точками. Электрический потенциал обычно измеряется в вольтах .
Электрический ток эквивалентен объемному расходу гидравлической жидкости ; то есть объемному количеству текущей воды за определенное время. Обычно измеряется в амперах .
Единица электрического заряда аналогична единице объема воды.
.svg/1280px-Electrionics_Analogy_-_Pipe_(Wire).svg.png)
.svg/1280px-Electrionics_Analogy_-_Reduced_Pipe_(Resistor).svg.png)
Относительно широкий шланг, полностью заполненный водой, эквивалентен проводящему проводу . Жестко закрепленная труба эквивалентна дорожке на печатной плате. При сравнении с дорожкой или проводом шланг или трубу следует рассматривать как имеющие полупостоянные колпачки на концах. Подключение одного конца провода к цепи эквивалентно снятию колпачка с одного конца шланга и присоединению его к другому. За редкими исключениями (например, источник питания высокого напряжения), провод, только один конец которого присоединен к цепи, ничего не сделает; шланг остается закрытым на свободном конце и, таким образом, ничего не добавляет к цепи.
Резистор эквивалентен сужению в отверстии трубы, которое требует большего давления для пропуска того же количества воды. Все трубы имеют некоторое сопротивление потоку, так же как все провода и трассы имеют некоторое сопротивление току .
Узел (или соединение) в правиле соединения Кирхгофа эквивалентен тройнику трубы . Чистый поток воды в тройник трубы (заполненный водой) должен быть равен чистому потоку из него.
Конденсатор эквивалентен баку с одним соединением на каждом конце и резиновым листом, разделяющим бак на две части по длине [ 7] ( гидравлический аккумулятор ). Когда вода нагнетается в одну трубу, такое же количество воды одновременно выдавливается из другой трубы, однако вода не может проникнуть через резиновую диафрагму. Энергия сохраняется за счет растяжения резины. По мере того, как больше тока течет «через» конденсатор, противодавление (напряжение) становится больше, таким образом, ток «ведет» напряжение в конденсаторе. По мере того, как противодавление от растянутой резины приближается к приложенному давлению, ток становится все меньше и меньше. Таким образом, конденсаторы «отфильтровывают» постоянные перепады давления и медленно меняющиеся, низкочастотные перепады давления, при этом позволяя проходить быстрым изменениям давления.
Индуктор эквивалентен роторному лопастному насосу с тяжелым ротором , помещенным в поток. Масса ротора и площадь поверхности лопастей ограничивают способность воды быстро менять скорость потока (ток) через насос из-за эффектов инерции , но с течением времени постоянный текущий поток будет проходить через насос в основном беспрепятственно, поскольку ротор вращается с той же скоростью, что и поток воды. Масса ротора и площадь поверхности его лопастей аналогичны индуктивности, а трение между его осью и подшипниками оси соответствует сопротивлению, которое сопровождает любой несверхпроводящий индуктор. Альтернативная модель индуктора — это просто длинная труба, возможно, свернутая в спираль для удобства. Это устройство инерции жидкости используется в реальной жизни как неотъемлемый компонент гидравлического тарана . Инерция воды, текущей по трубе, создает эффект индуктивности; индукторы «отфильтровывают» быстрые изменения потока, позволяя при этом пропускать медленные изменения тока. Сопротивление, налагаемое стенками трубы, в некоторой степени аналогично паразитному сопротивлению . В любой модели разница давлений (напряжение) на устройстве должна присутствовать до того, как ток начнет двигаться, таким образом, в индукторах напряжение «ведет» ток. По мере того, как ток увеличивается, приближаясь к пределам, налагаемым его собственным внутренним трением и током, который может обеспечить остальная часть цепи, падение давления на устройстве становится все ниже и ниже.
Идеальный источник напряжения (идеальная батарея ) или идеальный источник тока — это динамический насос с обратной связью. Измеритель давления с обеих сторон показывает, что независимо от вырабатываемого тока этот тип насоса создает постоянную разницу давления. Если один вывод закреплен на земле, другой аналогией является большой водоем на большой высоте, достаточно большой, чтобы всасываемая вода не влияла на уровень воды. Чтобы создать аналог идеального источника тока , используйте насос прямого вытеснения : Измеритель тока (маленькое лопастное колесо ) показывает, что когда этот тип насоса приводится в действие с постоянной скоростью, он поддерживает постоянную скорость маленького лопастного колеса.
.svg/1280px-Electrionics_Analogy_-_Valve_(Diode,_conducting).svg.png)
.svg/1280px-Electrionics_Analogy_-_Pressure-activated_valve_(Transistor).svg.png)
.svg/1280px-Electrionics_Analogy_-_Valve_(Diodes_comparison).svg.png)
Диод эквивалентен одностороннему обратному клапану с немного протекающим седлом клапана. Как и в случае с диодом, для открытия клапана требуется небольшая разница давлений. И как и в случае с диодом, слишком большое обратное смещение может повредить или разрушить клапанный узел.
Транзистор — это клапан , в котором диафрагма, управляемая слаботочным сигналом (постоянным током для биполярного транзистора или постоянным давлением для полевого транзистора ), перемещает плунжер, который влияет на ток через другой участок трубы.
CMOS представляет собой комбинацию двух MOSFET- транзисторов. При изменении входного давления поршни позволяют выходу подключаться либо к нулевому, либо к положительному давлению.
Мемристор — это игольчатый клапан, управляемый расходомером. Когда вода течет в прямом направлении, игольчатый клапан ограничивает поток больше; когда вода течет в обратном направлении, игольчатый клапан открывается больше, обеспечивая меньшее сопротивление.
На основе этой аналогии Йохан ван Вин разработал около 1937 года [8] метод расчета приливных течений с помощью электрического аналога. После наводнения в Северном море в 1953 году в Нидерландах он развил эту идею, что в конечном итоге привело к созданию аналогового компьютера '' Deltar '', который использовался для выполнения гидравлических расчетов для затворов в рамках проекта Delta Works .
Скорость электромагнитной волны ( скорость распространения ) эквивалентна скорости звука в воде. Когда щелкают выключателем, электрическая волна очень быстро распространяется по проводам.
Скорость потока зарядов ( скорость дрейфа ) эквивалентна скорости частиц воды. Сами движущиеся заряды движутся довольно медленно.
Постоянный ток эквивалентен постоянному потоку воды в контуре труб.
Низкочастотный переменный ток эквивалентен колебаниям воды вперед и назад в трубе.
Высокочастотный переменный ток и линии передачи в некоторой степени эквивалентны звуку , передаваемому по водопроводным трубам, хотя это не отражает должным образом циклическое изменение полярности переменного электрического тока. Как описано, поток жидкости передает колебания давления, но жидкости не меняют полярность на высоких скоростях в гидравлических системах, что точно описывает приведенная выше запись «низкая частота». Лучшей концепцией (если звуковые волны должны быть явлением) является концепция постоянного тока с наложенной высокочастотной «пульсацией».
Индуктивная искра, используемая в индукционных катушках , похожа на гидравлический удар , вызываемый инерцией воды.
Если дифференциальные уравнения эквивалентны по форме, динамика систем, которые они описывают, будет связана. Примеры гидравлических уравнений приблизительно описывают связь между постоянным ламинарным потоком в цилиндрической трубе и разницей давления на каждом конце, пока поток не анализируется вблизи концов трубы. Примеры электрических уравнений приблизительно описывают связь между током в прямом проводе и разницей электрического потенциала (напряжения). В этих двух случаях состояния обеих систем хорошо аппроксимируются дифференциальными уравнениями выше, и поэтому состояния связаны. Для этой связи необходимы предположения, которые делают эти дифференциальные уравнения хорошими приближениями. Любые отклонения от предположений (например, труба или провод не прямые, поток или ток меняются со временем, другие факторы влияют на потенциал) могут привести к тому, что связь не будет соблюдаться. Дифференциальные уравнения для гидравлики и электроники выше являются частными случаями уравнений Навье–Стокса и уравнений Максвелла соответственно, и они не эквивалентны по форме.
Если зайти слишком далеко, аналогия с водой может создать ложные представления. Отрицательный перенос может произойти, когда есть несоответствие между явлениями в источнике (гидравлика) и соответствующими явлениями в цели (электроника). [2] Чтобы аналогия была полезной, нужно помнить о тех областях, где электричество и вода ведут себя совершенно по-разному.
Поля ( уравнения Максвелла , индуктивность ): электроны могут толкать или тянуть другие удаленные электроны через свои поля, в то время как молекулы воды испытывают силы только от прямого контакта с другими молекулами. По этой причине волны в воде распространяются со скоростью звука, но волны в море заряда будут распространяться намного быстрее, поскольку силы от одного электрона применяются ко многим удаленным электронам, а не только к соседям, находящимся в прямом контакте. В гидравлической линии передачи энергия течет в виде механических волн через воду, но в электрической линии передачи энергия течет в виде полей в пространстве, окружающем провода, и не течет внутри металла. Кроме того, ускоряющийся электрон будет тащить своих соседей за собой, притягивая их, и то и другое из-за магнитных сил.
Заряд: В отличие от воды, подвижные носители заряда могут быть положительными или отрицательными, а проводники могут демонстрировать общий положительный или отрицательный суммарный заряд. Подвижными носителями в электрических токах обычно являются электроны, но иногда они заряжены положительно, например, положительные ионы в электролите , ионы H + в протонных проводниках или дырки в полупроводниках p-типа и некоторых (очень редких) проводниках.
Протекающие трубы: Электрический заряд электрической цепи и ее элементов обычно почти равен нулю, поэтому он (почти) постоянен. Это формализовано в законе тока Кирхгофа , который не имеет аналогии с гидравлическими системами, где количество жидкости обычно не постоянно. Даже с несжимаемой жидкостью система может содержать такие элементы, как поршни и открытые бассейны, поэтому объем жидкости, содержащейся в части системы, может меняться. По этой причине для непрерывных электрических токов требуются замкнутые контуры, а не гидравлические открытые источники/сточные трубы, напоминающие краны и ведра.
Скорость жидкости и сопротивление металлов: Как и в случае с водяными шлангами, скорость дрейфа носителей в проводниках прямо пропорциональна току. Однако вода испытывает сопротивление только через внутреннюю поверхность труб, в то время как заряды замедляются во всех точках внутри металла, как в случае с водой, проходящей через фильтр. Кроме того, типичная скорость носителей заряда внутри проводника составляет менее сантиметров в минуту, а «электрическое трение» чрезвычайно велико. Если бы заряды когда-либо текли так же быстро, как вода может течь в трубах, электрический ток был бы огромным, а проводники стали бы раскаленными добела и, возможно, испарились бы. Для моделирования сопротивления и скорости заряда металлов, возможно, труба, набитая губкой, или узкая соломинка, наполненная сиропом, были бы лучшей аналогией, чем водопроводная труба большого диаметра.
Квантовая механика : Твердые проводники и изоляторы содержат заряды на более чем одном дискретном уровне энергии атомной орбиты , в то время как вода в одной области трубы может иметь только одно значение давления. По этой причине не существует гидравлического объяснения таких вещей, как способность батареи перекачивать заряд,обедненный слой диода и падение напряжения, функции солнечной батареи , эффект Пельтье и т. д., однако можно разработать эквивалентные устройства, которые демонстрируют схожие реакции, хотя некоторые из механизмов будут служить только для регулирования кривых потока, а не для внесения вклада в основную функцию компонента.
Чтобы модель была полезной, читатель или студент должен иметь существенное понимание принципов модели (гидравлической) системы. Также требуется, чтобы принципы можно было перенести на целевую (электрическую) систему. Гидравлические системы обманчиво просты: явление кавитации насоса — известная, сложная проблема, которую мало кто понимает за пределами отраслей гидроэнергетики или орошения. Для тех, кто понимает, гидравлическая аналогия забавна, поскольку в электротехнике не существует эквивалента «кавитации». Гидравлическая аналогия может дать ошибочное чувство понимания, которое будет обнаружено, как только потребуется подробное описание теории электрических цепей.
Необходимо также учитывать трудности, возникающие при попытке сделать аналогию полностью соответствующей реальности. Приведенный выше пример «электрического трения», где гидравлическим аналогом является труба, заполненная губчатым материалом, иллюстрирует проблему: модель должна быть усложнена за пределами любого реалистичного сценария.
