我觉得反馈的想法离事实不远,但更好的描述应该是“平衡”。所有电气系统将(几乎立即)采用符合所谓“集总单元模型“,由基尔霍夫电流和电压定律组成(千伏特和KCL公司),以及我们应用于电压源、电阻器等元件的方程式(欧姆定律)和二极管(肖克利方程).
然而,集总元素模型并没有解释为什么会获得这种平衡,以及为什么它似乎能够在噪声和其他可能使其不稳定的环境扰动下保持自身。
首先,让我们检查一下集总元素模型是如何用代数方法描述系统的,然后我们将看看你的“反馈”思想,以及我的“平衡”建议。安排如下:
模拟此电路–使用创建原理图电路实验室
供应是\$V_S(美元)\$,并且根据KVL,电阻器和二极管两端的电压之和,\$V_R\$和\$V_D(美元)\$,必须等于\$V_S(美元)\$:
$$V_R+V_D=V_S$$
这没有什么神秘或神秘的。电压只是势能(电荷)的量度,正如你的海拔(比如说,海平面以上)是重力势能的量度。如果你从某处的X点开始,绕着一个返回X的大圆环走一圈,上下山坡、台阶或任何导致你升高或降低高度的东西,那么当你回到X点时,你必须具有与开始时相同的高度和相同的势能。这是KVL所描述的原理,但只适用于电荷。
KCL在这里的应用更简单。考虑到没有电流进入或离开回路的路径,电流\1美元\$循环周围的所有点都必须相同。同样,这是你在许多地方看到的原理,就像水在闭环中一样;如果没有地方让水离开或进入,那么每一点每秒流过的升数必须是相同的。否则你会免费获得新的水,或者不知怎么失去它。
KVL和KCL总是被遵守的,就像你更熟悉的物理定律(如海拔或水流)总是被遵守一样。唯一真正的区别是,KVL和KCL处理的是电荷在电场中移动的粒子,而不是质量在重力场中移动的分子。
集总元件模型的最后一部分是每个元件的电流和电压之间的关系。应用KCL和KVL得到的方程互不相关;它们不共享任何变量,没有更多信息就无法“求解”。由系统中的各个组件来定义KCL方程中所指电流与KVL方程中所述电压之间的关系。
对于电压源(我上面示意图中的电池),电流和电压之间没有任何关系。任何数量的电流都可以通过它,而这根本不会改变它的电势差。然而,这确实意味着我们对\$V_S(美元)\$:
$$V_S=12伏$$
对于电阻器R1是一个非常简单的关系,欧姆定律,允许我们定义电压\$V_R\$毫不含糊地,作为电流的函数\1美元\$通过它:
$$V_R=I\乘以R_1$$
最后你要处理的是二极管D1,它也有一个非常明确的定义\1美元\$-\V美元\$关系,肖克利二极管方程,它将是以下的一些变化:
$$I=I_S\left(e^{\frac{V_D}{\eta V_T}}-1\right)$$
有时你会看到\$V_D(美元)\$作为主题,在这里可能更有用,也可能不更有用:
$$V_D=\eta V_T\cdot ln\left(1+\frac{I}{I_S}\right)$$
以下是描述系统的方程式:
$$\开始{对齐}V_S&=12伏\\V_S&=V_R+V_D\\\\V_R&=I\乘以R_1\\\\V_D&=\eta V_T\cdot ln\left(1+\frac{I}{I_S}\right)\\\\\结束{对齐}$$
这些都是这个系统必须具备的条件,才能遵守我们所理解的物理定律:集总元素模型。系统必须同时满足所有这些条件,这就产生了术语“联立方程”。如果你解决了它们,你会发现\$V_D\约0.7V\$在很大的值范围内\R_1美元\$和\$V_S(美元)\$这只是数学方面的问题,但无法解释原因。
我可能不需要说这些,因为我接下来要做的是真正的答案。不过,为了完整起见,我还是把它留了下来。
这些方程描述了电路将达到和保持的平衡状态,但它们本身并不能解释为什么。那么,为什么系统是稳定的,遵守这些法律?
集总元素模型不处理单个粒子。它描述了平均的大量电荷的行为。该模型不描述任何单个电荷的势能。它处理电路中某一点大量电荷的平均能级(电压)。该模型描述了许多电荷的迁移(电流),而不是单个电荷的迁移。
你能够单独处理粒子,但你会得到很多方程,以至于没有多少计算能力可以求解它们的位置和速度。当你认为每一个电荷都是一个量子粒子,受量子效应的影响,就会有许多电荷似乎朝着错误的方向移动,或者魔法传送,或者做一些奇怪的事情。像所有波一样,存在着电势波、压缩区和电荷稀疏区,它们传播、反射、折射和衍射,并相互干扰。这是一团乱麻。
然而,平均而言,当所有这些电荷一起观察时,所有这些电荷的组合行为总是平均出来,以符合一组非常简单的概念,我们称之为集总元素模型。电势是所有这些电势波的叠加,是可以预测的,即使单个电荷及其运动波是难以想象的复杂。平均电荷运动(我们称之为电流)是非常一致的,尽管这些电荷似乎是随机地向各个方向移动。
在所有的混乱中都有一种自我调节。如果一个电子跳出位置,由此产生的电场变化将导致其他相邻电荷受到力的变化,从而导致其他电荷进一步反应,以此类推。这形成了一个向外传播的势波,正如我所提到的,该波将反射、折射和衍射,重要的是,干扰其他波,甚至自身。之所以保持平衡,是因为任何单个电子偏离位置都会引起波,最终会相互干扰,并且在叠加中保持稳定、有序和可预测的状态。这是一种自我调节的、所有物理系统固有的负反馈,在存在潜在混乱的更大范围内维持秩序。
这就像池塘表面受到扰动,导致波浪向外传播。这些波浪从海岸反射回来,以恢复扰动产生的水深。会有一些平均深度的振荡,最终这些振荡会消失,但池塘的平均深度随时间保持不变。
这样,对系统的扰动就不会持续存在。电阻器电压增加\$V_R\$会增加电流\1美元\$,从而增加二极管电压\$V_D(美元)\$,但增加了\$V_D(美元)\$反过来必须减少\$V_R美元\$恢复到原始状态。可能有人会说,这是因为会违反KVL,系统必须返回到与KVL兼容的状态,但这是假设集中元素模型可以解释这一点;它不能,因为它只是一组方程。
真正发生的是携带能量的波在整个系统中的传播,作为一个整体,它将始终起到恢复平衡的作用。用物理术语来说,这种平衡是一种势能最低的状态,所有系统(物理、电气或其他)都会随着时间的推移趋向于这种状态,这种状态由集总元件模型描述。在这个二极管示例中,状态\$V_D\约0.7V\$是系统的最低势能状态作为一个整体这需要系统外部的能量来改变。
二极管方程只是描述和封装这一特性的集总元件模型的一部分,但并不是最终的先验原因\$V_D\约0.7V\$.真正的原因是系统将“发现”或“归宿于”最低势能的状态整个的系统、电压源、电阻器等\$V_D\约0.7V\$.