Hat jemand eine Nicht-Lehrbuch-Analogie, um Elemente einer Schaltung zu erklären?

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Ich habe mich gefragt, ob jemand mit Analogien erklären kann, was Induktivitäten, Kondensatoren, Transistoren, Dioden und Operationsverstärker tun.

Ich verstehe die Grundidee; Ich bin derzeit ein Student der Elektrotechnik. Ich kenne die Lehrbuchdefinitionen bereits, aber ich habe mich nur gefragt, ob jemand eine Analogie hat, um alles zusammenzufassen, was nicht aus einem Lehrbuch stammt. :) Ich möchte mein Verständnis weiter verbessern, aber um ehrlich zu sein, ist es schwierig, schmerzhaft und langweilig, nur Dinge aus Klassen und Büchern zu lernen, denn als Student ist es immer noch eine Herausforderung, das GROSSE Bild zu sehen.

Kenny Truong
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Steevens Antwort sieht für mich ziemlich gut aus, aber kann ich einschalten, dass Leitungsstrom nicht der einzige Strom ist? Schauen Sie sich Nader Enghetas Zähmungslicht im Nanobereich an: "Es ist wichtig zu beachten, dass der Verschiebungsstrom nicht wie der Leitungsstrom aus treibenden geladenen Teilchen besteht." Stellen Sie sich für eine Analogie vor, Sie sitzen in einem Kanu auf See und eine große Welle kommt auf Sie zu. Der Verdrängungsstrom ist wie der aufwärts gerichtete Wasserfluss, der Sie trägt. Es gibt dann einen Abwärtsfluss. Licht ist wie Wechselstrom , daher Vakuumimpedanz.
Wird in meinen Maschinenbaukursen häufig verwendet, um Studenten der Elektrotechnik zu helfen: Ein Masse-Feder-Dämpfer-System aus dem Maschinenbau hat genau die gleiche Differentialgleichung wie ein Induktor-Kondensator-Widerstandssystem aus der Elektrotechnik.
Sanchises
Transistoren und Operationsverstärker werden in Phys.SE normalerweise als nicht zum Thema gehörend betrachtet.
Qmechanic
Machen Sie sich klar, dass Nicht-Lehrbuch- Analogien eine große Herausforderung sind (und ich bin mir nicht ganz sicher, welchen Zweck eine völlig unerhörte Antwort überhaupt erfüllen würde - die SE-Art von Q & A-Site ist gut darin, kanonische Antworten zu liefern, nicht zu sein ein Kreativitätswettbewerb). So ziemlich alles, was in den Antworten unten gesagt wird, enthält eine gute Anzahl von Lehrbüchern.
Fizz

Antworten:

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Eine Wasserflussanalogie ist klassisch und weitreichend für das Verständnis von Stromkreisen. Denken Sie an Wasser, das in einem Rohrsystem fließt. Dies ist etwas schwer in den AC-Bereich einzustellen, hart, aber für DC eine Erwähnung wert und ein guter Ausgangspunkt.

Analogien für einige Definitionen:

  • Ladung Wassermenge [ k g ][C.]] [kG]]
  • Strom Wasserdurchfluss [ k g / s ][C./.s]] [kG/.s]]
  • Potential Druck [ P a ][J./.C.]] [P.ein]]
    • Spannungs- oder Potentialdifferenz Druckdifferenz [ P a ][J./.C.]] [P.ein]]
  • Widerstand Ein schmaler Teil eines Rohrs oder eines Mühlrads.[Ω]]

(Siehe in diesem Zusammenhang diese andere Antwort: /physics/161650/could-someone-intuitively-explain-to-me-ohms-law/161701#161701 )

Analogien für die Schaltungsteile:

  • Kondensator Eine vollständige Blockierung des Rohrs mit einer elastischen Membran (Kein Wasser passiert jemals die Membran, aber durch Druckaufbau auf einer Seite wird sie sich ausdehnen und die gegenüberliegende Seite mit gleichem Druck "drücken", aber die Kraft ist in die entgegengesetzte Richtung gerichtet.)

  • Diode A Einwegkugelventil (A Diode verhindert in einer Richtung aufzuladen , sondern erlaubt , ohne Widerstand in die andere Richtung)

  • Batterie Eine Pumpe, die Wasser zu einem Startpunkt zurückführt.

  • Operationsverstärker (Operationsverstärker) Eine Pumpe, die den Druck erhöht (an einer Stelle im Rohrkreis ).

  • Transistor Ein einstellbares Ventil (Transistoren sind "Einsteller", bei denen ein kleines Signal große Änderungen an Strom / Spannung bewirken kann)

  • Induktor Ein schweres Mühlrad (zuerst bewegt es sich nicht, aber nach einiger Zeit widersteht es dem Durchfluss und gibt ihm keinen Widerstand mehr.)

Steeven
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Ich würde gerne das Mühlrad sichern, darüber haben wir vor einiger Zeit gesprochen. Siehe Daniel Reynolds Elektronikkurs .
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Vielleicht möchten Sie klarstellen, dass dies ein Kondensator in Reihe ist, während ein an Masse gebundener Kondensator wie ein Vorratsbehälter ist. Ich bin mir nicht sicher, wie ich einen an Masse gebundenen Induktor beschreiben soll.
Carl Witthoft
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Außerdem weiß ich nicht, über welche Schwester du sprichst, die Analogie für einen Opamp ist falsch. Sie sind so vielseitig, dass es wirklich keine Analogie gibt. Wenn man sagt, es sei eine Pumpe, klingt es so, als hätten sie eine externe Energiequelle, während ihre Energie aus dem Stromkreis gespeist wird, zu dem sie gehören. Wenn überhaupt, ist eine Analogie für die häufigste Konfiguration "Magisches Gerät, bei dem der Druck der Ausgangsleitungen gleich der Druckdifferenz zwischen den beiden Eingängen ist".
PlasmaHH
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Ich verstehe nicht, dass dies eine Nicht-Lehrbuch- Analogie ist.
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Ich habe Nicht-Lehrbuch so verstanden , dass es "Laienbegriffe" bedeutet, anstatt "es mit einer völlig neuartigen Analogie zu erklären, die noch nie in einem Lehrbuch aufgetaucht ist".
Oscar Bravo
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Ich werde es versuchen ... Das ist alles auf den Kopf gestellt und sollte durch Lesen eines Lehrbuchs nach überprüft werden.

Als erstes ist zu beachten, dass die meisten dieser Komponenten nur mit einem oszillierenden elektrischen Signal, dh Wechselstrom, sinnvoll sind. Sie sind in einem Gleichstromkreis nicht sehr nützlich [ obwohl ich wetten kann, dass jemand an einen denken kann ... siehe Kommentare ]

  • Induktor : Grundsätzlich eine Drahtspule. Wenn ein Strom fließt, steigt ein Magnetfeld an. Dies erfordert Arbeit, wenn Sie das Magnetfeld "aufladen", damit es der Stromänderung widersteht . Dies führt zu einer scharfen Spitze im Signal und verwandelt sich in einen stumpfen Buckel. So wird das Signal geglättet (nützlich in einer Gleichrichterschaltung).

  • Kondensator : Ein Ladungsspeicher: Anfangs lässt er den Strom schnell einfließen, widersteht jedoch beim Laden dem Fluss und zeigt einen immer größeren Widerstand gegen den Fluss, bis sein Potential dem Antriebspotential entspricht. Die ansteigende Ladung auf der angetriebenen Seite induziert eine ähnliche Ladung auf der anderen Seite und so weiter überträgt so einen sich ändernden Strom (obwohl sie für Gleichstrom offen ist). In Reihe, kann als Filter verwendet werden - es hat eine sehr niedrige Impedanz für Signale mit seiner Resonanzfrequenz. Parallel dazu werden Differentiale zwischen den beiden Schienen geglättet (wieder Gleichrichter)

  • Diode : : Strom kann nur in eine Richtung fließen.

  • Transistor : Der Name bedeutet Transferwiderstand - was Ihnen nichts sagt! Grundsätzlich verbinden Sie den Kollektor mit der oberen Schiene (z. B. +5 V), den Emitter über einen Widerstand mit Masse und die Basis ist Ihr Signaleingang. Wenn nichts an die Basis angeschlossen ist, schwimmt der Emitter auf eine bestimmte Spannung, die durch einfache ohmsche Spannungsteilung (z. B. + 2 V) gegeben ist. Wenn Sie einen Strom in die Basis einspeisen, verringert dies den effektiven Widerstand des Kollektor-Emitter-Übergangs und die Spannung des Emitters steigt an. Reduzieren Sie den Basisstrom und der Emitter fällt wieder ab. Der Ausgang (Emitter) folgt also einfach dem, was der Eingang (Base) tut. Der clevere Teil ist, dass der Strom in der Ausgabe vom Collector kommt und so stark sein kann, wie Sie möchten - Sie haben verstärkt das Basissignal! (Kerannng!)

  • OP-Verstärker : Ein Spannungsverstärker: Dies ist eine "komplexe" integrierte Schaltung, die aus vielen der oben genannten besteht. Grundsätzlich; kleine Spannungsdifferenz an den Eingangsanschlüssen = große $ V_ {diff} $ an den Ausgängen. Verstehen Sie all das gut, bevor Sie sich Sorgen machen wie ?

Viel Glück beim Studium!

Oscar Bravo
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Aus dieser "Erklärung", wie ein Transistor funktioniert (gemeinsame Kollektorkonfiguration), leite ich ab, dass die Emitterspannung dem Basisstrom folgt. Für mich eine etwas "fragwürdige" Erklärung. Und - mit einem offenen Basisknoten - wird der Emitter "auf eine bestimmte Spannung schweben, die durch einfache ohmsche Spannungsteilung gegeben ist" ???
LvW
@LvW Wenn Sie eine "bessere" Erklärung schreiben möchten, gehen Sie auf der vom OP "geforderten" Ebene "weiter"!
Oscar Bravo
Vielen Dank! Dies ist meistens für AC? Das ist es, was ich gerade studiere.
Kenny Truong
@ Owen-Boyle, die korrekte und logische Beschreibung der BJT-Funktion ist, dass der Kollektorstrom Ic durch die Basis-Emitter-Spannung Ic = f (Vbe) bestimmt / gesteuert wird. Daher sind die Verstärkungseigenschaften eines Transistors durch seine Transkonduktanz gm gekennzeichnet.
LvW
@LvW Das erste, was ich beim Antworten / Kommentieren eines Beitrags mache, ist, auf den Benutzer zu klicken, um ein Gefühl für die Person hinter der Frage zu bekommen. Das OP ist ein Kind, das gerade erst anfängt (nichts für ungut, KT!). Ich versuche, meine Antwort auf das zu stellen, was ich für den Leser für angemessen halte, ohne die Genauigkeit zu beeinträchtigen. Ich akzeptiere, dass meine Antwort etwas schuppig und handgewellt ist. Ihr Kommentar fügt Strenge und einige nützliche Begriffe hinzu. Ich hoffe, das OP kann von der Kombination der beiden profitieren!
Oscar Bravo
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Dinge aus Klassen und Büchern zu lernen ist schwer und schmerzhaft und langweilig

Willkommen beim Engineering. :-)

Analogien können von Anfang an hilfreich sein, aber letztendlich gibt es keinen Ersatz dafür, das Thema direkt zu verstehen, insbesondere wenn Sie zu komplexeren Themen wie Operationsverstärkern gelangen. Das Verständnis des Gesamtbildes erfordert Zeit und eine breite Wissensbasis. Seien Sie versichert, dass Ihre harte und schmerzhafte Arbeit wird sich auszahlen. Achten Sie besonders auf die Grundlagen - Schaltungsanalyse, Elektronik, E & M-Felder, Signalanalyse. Wenn Sie studieren und (was noch wichtiger ist) Hausaufgaben machen, werden Sie sich ein Bild über das Verhalten elektronischer Schaltkreise und die tieferen mathematischen Modelle dahinter machen.

Davon abgesehen ist die Wasserfluss-Analogie nicht schrecklich. Wenn Sie einen starken mathematischen Hintergrund haben, kann die mechanische Analogie (Spannung / Strom / Widerstand = Kraft / Geschwindigkeit / Reibung) hilfreich sein. Das sind natürlich nur so gut wie Ihr Verständnis von Hydraulik und Mechanik.

Was mehr helfen könnte, ist das Lesen vieler Erklärungen zum gleichen Thema. Manchmal wählen Schulen schreckliche Lehrbücher aus, suchen Sie also in Ihrer Bibliothek nach anderen. Es gibt auch viele Startererklärungen zu diesen Konzepten online. ( William Beaty hat einige gute Sachen.)

Adam Haun
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