Passivitet (ingeniørfag) - Passivity (engineering)

Passivitet er en egenskap for tekniske systemer, som ofte forekommer i analog elektronikk og kontrollsystemer . Vanligvis bruker analoge designere passivitet til å referere til trinnvis passive komponenter og systemer, som ikke er i stand til å få strøm . I motsetning til dette vil ingeniører i kontrollsystemer bruke passivitet for å referere til termodynamisk passive , som bruker, men ikke produserer energi. Uten kontekst eller kvalifisering er uttrykket passiv tvetydig.

En elektronisk krets som utelukkende består av passive komponenter kalles en passiv krets , og har de samme egenskapene som en passiv komponent.

Hvis en komponent ikke er passiv, er den en aktiv komponent .

Termodynamisk passivitet

I styringssystemer og kretsnettteori er en passiv komponent eller krets en som bruker energi, men ikke produserer energi. Under denne metoden betraktes spennings- og strømkilder som aktive, mens motstander , kondensatorer , induktorer , transistorer , tunneldioder , metamaterialer og andre avledende og energinøytrale komponenter betraktes som passive. Kretsdesignere vil noen ganger referere til denne klassen av komponenter som avledende eller termodynamisk passive.

Mens mange bøker gir definisjoner for passivitet, inneholder mange av disse subtile feil i hvordan innledende forhold blir behandlet, og noen ganger generaliserer ikke definisjonene til alle typer ikke-lineære tidsvarierende systemer med minne. Nedenfor er en korrekt, formell definisjon hentet fra Wyatt et al. som også forklarer problemene med mange andre definisjoner. Gitt en n - port R med en tilstand representasjon S , og utgangstilstanden x , definere tilgjengelig energi E A som:

der betegnelsen sup xT ≥0 indikerer at supremum er tatt over alle T  ≥ 0 og alle tillatte par { v (·),  i (·)} med den faste starttilstanden  x (f.eks. alle spenningsstrømbaner for en gitt starttilstand for systemet). Et system betraktes som passivt hvis E A er endelig for alle starttilstander  x . Ellers betraktes systemet som aktivt. Grovt sett det indre produkt er den øyeblikkelige strøm (for eksempel produktet av spenning og strøm), og E A er den øvre grense på integralet av den øyeblikkelige strøm (dvs. energien). Denne øvre grensen (tatt over alle T  ≥ 0) er den tilgjengelige energien i systemet for den spesielle starttilstanden x . Hvis den tilgjengelige energien er endelig for alle mulige starttilstander i systemet, kalles systemet passiv.

Inkrementell passivitet

I kretsdesign refererer passive komponenter uformelt til de som ikke er i stand til å få strøm ; dette betyr at de ikke kan forsterke signaler. Under denne definisjonen inkluderer passive komponenter kondensatorer , induktorer , motstander , dioder , transformatorer , spenningskilder og strømkilder. De ekskluderer enheter som transistorer , vakuumrør , reléer , tunneldioder og glødetrør . Formelt for en lagerfri to-tilslutningselement, betyr dette at den strøm-spenningskarakteristikk er monotont økende . Av denne grunn refererer styresystemer og kretsnettteoretikere til disse enhetene som lokalt passive, trinnvis passive, økende, monotonøkende eller monotone. Det er ikke klart hvordan denne definisjonen vil bli formalisert for å multiporte enheter med minne - som en praktisk sak bruker kretsdesignere dette begrepet uformelt, så det er ikke nødvendig å formalisere det.

Dette begrepet brukes daglig i en rekke andre sammenhenger:

  • En passiv USB til PS / 2-adapter består av ledninger og potensielt motstander og lignende passive komponenter (både i inkrementell og termodynamisk forstand). En aktiv USB til PS / 2-adapter består av logikk for å oversette signaler (aktiv i trinnvis forstand)
  • En passiv mikser består av bare motstander (trinnvis passiv), mens en aktiv mikser inkluderer komponenter som er i stand til å øke (aktiv).
  • I lydarbeid kan man også finne både (trinnvis) passive og aktive omformere mellom balanserte og ubalanserte linjer. En passiv bal / ubalanseomformer er vanligvis bare en transformator sammen med, selvfølgelig, de nødvendige kontaktene, mens en aktiv typisk består av en differensialstasjon eller en instrumentasjonsforsterker.

Andre definisjoner av passivitet

I elektronikk anses enheter som viser forsterkning eller en korrigerende funksjon (for eksempel dioder ) som aktive. Bare kondensatorer, induktorer og motstander anses som passive. Når det gjelder abstrakt teori, kan dioder betraktes som ikke-lineære motstander, men ikke-linearitet i en motstand vil normalt ikke være retningsbestemt, noe som er egenskapen som fører til at dioder blir klassifisert som aktive. United States Patent and Trademark Office er blant organisasjonene som klassifiserer dioder som aktive enheter.

Systemer der den lille signalmodellen ikke er passiv, kalles noen ganger lokalt aktive (f.eks. Transistorer og tunneldioder). Systemer som kan generere strøm om en tidsvariant, uforstyrret tilstand, kalles ofte parametrisk aktive (f.eks. Visse typer ikke-lineære kondensatorer).

Stabilitet

Passivitet kan i de fleste tilfeller brukes til å demonstrere at passive kretsløp vil være stabile under spesifikke kriterier. Merk at dette bare fungerer hvis bare en av de ovennevnte definisjonene av passivitet brukes - hvis komponenter fra de to blandes, kan systemene være ustabile under alle kriterier. I tillegg vil passive kretser ikke nødvendigvis være stabile under alle stabilitetskriterier. For eksempel vil en resonansserie LC-krets ha ubegrenset spenningsutgang for en begrenset spenningsinngang, men vil være stabil i form av Lyapunov , og gitt begrenset energiinngang vil ha begrenset energiutgang.

Passivitet brukes ofte i kontrollsystemer for å designe stabile kontrollsystemer eller for å vise stabilitet i kontrollsystemer. Dette er spesielt viktig i utformingen av store, komplekse kontrollsystemer (f.eks. Flystabilitet). Passivitet brukes også i noen områder av kretsdesign, spesielt filterdesign.

Passivt filter

Et passivt filter er et slags elektronisk filter som bare er laget av passive komponenter - i motsetning til et aktivt filter trenger det ikke en ekstern strømkilde (utover signalet). Siden de fleste filtre er lineære, er passive filtre i de fleste tilfeller sammensatt av bare de fire grunnleggende lineære elementene - motstander, kondensatorer, induktorer og transformatorer. Mer komplekse passive filtre kan involvere ikke-lineære elementer eller mer komplekse lineære elementer, for eksempel overføringslinjer.

Fjernsynssplitter bestående av et passivt høypassfilter (venstre) og et passivt lavpassfilter (høyre). Antennen er koblet til skrueterminalene til venstre for midten.

Et passivt filter har flere fordeler i forhold til et aktivt filter :

  • Garantert stabilitet
  • Skaler bedre til store signaler (titalls ampere, hundrevis av volt), der aktive enheter ofte er upraktiske
  • Ingen strømforsyning nødvendig
  • Ofte billigere i diskrete design (med mindre store spoler er påkrevd)
  • For lineære filtre, potensielt større linearitet avhengig av nødvendige komponenter

De brukes ofte i høyttalerovergangsdesign (på grunn av de moderat store spenningene og strømmen, og mangelen på enkel tilgang til en strømforsyning), filtre i strømfordelingsnettverk (på grunn av de store spenningene og strømene), strømforsyning forbi til lave kostnader, og i noen tilfeller, strømbehov), samt en rekke diskrete og hjemmebryggingskretser (for lave kostnader og enkelhet). Passive filtre er uvanlige i monolitisk integrert kretsdesign , hvor aktive enheter er billige sammenlignet med motstander og kondensatorer, og induktorer er uoverkommelig dyre. Passive filtre finnes fortsatt i hybridintegrerte kretser . Faktisk kan det være ønsket om å innlemme et passivt filter som får designeren til å bruke hybridformatet.

Merknader

Referanser

Videre lesning

  • Khalil, Hassan (2001). Ikke-lineære systemer (3. utg.). Prentice Hall. ISBN 0-13-067389-7.—Veldig lesbar innledende diskusjon om passivitet i kontrollsystemer.
  • Chua, Leon ; Desoer, Charles; Kuh, Ernest (1987). Lineære og ikke-lineære kretser . McGraw – Hill-selskaper. ISBN 0-07-010898-6.—God samling av passive stabilitetssetninger, men begrenset til minneløse en-porter. Lesbar og formell.
  • Desoer, Charles; Kuh, Ernest (1969). Grunnleggende kretsteori . McGraw – Hill Education. ISBN 0-07-085183-2.- Noe mindre leselig enn Chua, og mer begrenset i setninger og formalitet.
  • Cruz, Jose; Van Valkenberg, ME (1974). Signaler i lineære kretser . Houghton Mifflin. ISBN 0-395-16971-2.—Gir en definisjon av passivitet for multiporter (i motsetning til det ovenfor), men den generelle diskusjonen om passivitet er ganske begrenset.
  • Wyatt, JL; Chua, LO; Gannett, J .; Göknar, IC; Green, D. (1978). Grunnlaget for ikke-lineær nettverksteori, del I: passivitet . Memorandum UCB / ERL M78 / 76, Electronics Research Laboratory, University of California, Berkeley.
    Wyatt, JL; Chua, LO; Gannett, J .; Göknar, IC; Green, D. (1980). Fundament of Nonlinear Network Theory, Part II: Losslessness . Notat UCB / ERL M80 / 3, elektronikkforskningslaboratorium, University of California, Berkeley.
    - Et par notater som har gode diskusjoner om passivitet.
  • Brogliato, Bernard; Lozano, Rogelio; Maschke, Bernhard; Egeland, Olav (2007). Dissipative Systems: Analysis and Control, 2. utgave . Springer Verlag London. ISBN 978-1-84628-516-5.—En fullstendig redegjørelse for dissipative systemer, med vekt på det berømte KYP Lemma, og på Willems dissipativitet og bruken av den i Control.