Кіріспе

Электрлік схемаларды түсіндіру үшін кеңінен қолданылатын аналогия. Электрондық гидравликалық аналогиялар – электрондық схемаларды гидравликалық схемалар арқылы бейнелеу. Электр тогы көзге көрінбейтіндіктен және электроникадағы процестерді көрсету қиын болғандықтан, әртүрлі электрондық компоненттер гидравликалық эквиваленттермен бейнеленеді. Электр энергиясы (жылу сияқты) бастапқыда сұйықтық түрі деп түсінілді, ал кейбір электр шамаларының (мысалы, ток) атаулары гидравликалық баламалардан алынған. Электрондық-гидравликалық аналогия (Оливер Лоджтың «су құбыры теориясы» деп аңғарған) – металл өткізгіштегі «электрондық сұйықтық» үшін ең көп қолданылатын аналогия. Барлық аналогиялар сияқты, ол негізгі парадигмаларды (электроника және гидравлика) интуитивті және құзыретті түсінуді талап етеді, ал электроника үшін гидравликалық аналогия жағдайында студенттердің гидравлика туралы жеткіліксіз білімі болуы мүмкін. Гидравликалық ом – гидравликалық кедергінің бірлігі, ол қысым мен көлемдік ағын жылдамдығының арақатынасы ретінде анықталады. Осы анықтамада қысым және көлемдік ағын айнымалылары фазерлер ретінде қарастырылады, сондықтан фазасы мен шамасы болады. Акустикада сәл өзгеше парадигма қолданылады, онда акустикалық импеданс акустикалық қысым мен акустикалық бөлшектің жылдамдығы арасындағы қатынас ретінде анықталады. Бұл парадигмада тесігі бар үлкен қуыс, атмосфералық қысымнан уақытқа тәуелді қысым ауытқуы кезінде сығымдалу энергиясын сақтайтын конденсаторға ұқсас. Ойық (немесе ұзын түтік) – ауа ағынымен байланысты кинетикалық энергияны сақтайтын индукторға ұқсас.

Кернеу, ток және заряд

Жалпы алғанда, электр потенциалы гидравликалық басқа тең. Бұл модель судың көлденең ағып жатқанын болжайды, сондықтан гравитация күші ескерілмейді. Осы жағдайда электр потенциалы қысымға тең. Кернеу (немесе кернеудің түсуі немесе потенциалдар айырмасы) – екі нүкте арасындағы қысымның айырмасы. Электр потенциалы әдетте вольттармен өлшенеді. Электр тогы гидравликалық көлемдік ағынға тең, яғни белгілі бір уақыт ішінде ағып өтетін судың көлемі. Әдетте ампермен өлшенеді. Электр зарядының бірлігі судың бірлік көлемімен салыстырылады.

Негізгі схема элементтері

Сумен толық толтырылған, салыстырмалы түрде кең шланг, өткізгіш сымға баламалы. Қатты орнатылған құбыр, тізбек тақтасындағы ізге баламалы. Шланг немесе құбырды із немесе сыммен салыстырғанда, ұштарында жартылай тұрақты тығындар бар деп есептеу керек. Сымның бір ұшын тізбекке қосу, шлангтың бір ұшын ашып, екіншісіне жалғауға баламалы. Көптеген ерекшеліктерден басқа (мысалы, жоғары кернеулі қуат көзі), тек бір ұшы тізбекке жалғанған сым ештеңе жасамайды; шлангтың бос ұшы тығындалып, тізбекке қосымша ештеңе қоспайды. Резистор, құбырдың тарылған бөлігіне баламалы, ол судың бірдей көлемін өткізу үшін көбірек қысымды қажет етеді. Барлық құбырлардың ағысқа қарсылығы бар, дәл сол сияқты барлық сымдар мен іздер токқа қарсылық көрсетеді. Кирхгофтың түйісу ережесіндегі түйін (немесе қосылған нүкте), құбырдың Т-тәрізді қосылысына баламалы. Судың Т-тәрізді қосылысқа (сумен толтырылған) ағыны, сыртқа ағынмен тең болуы керек. Конденсатор, екі ұшында қосылысы бар резервуарға баламалы, ал резервуарды бойлық бағытта резеңке қабат бөледі (гидравликалық аккумулятор). Бір құбырға су құйылғанда, екінші құбырдан да сондай мөлшерде су шығады, бірақ ешқандай су резеңке мембранадан өте алмайды. Энергия резеңкенің созылуы арқылы сақталады. Конденсатор арқылы ток көбейгенде, кері қысым (кернеу) артады, сондықтан ток, конденсаторда кернеуді "жетектейді". Созылған резеңкеден туындаған кері қысым қолданылған қысымға жақындағанда, ток азаяды. Осылайша, конденсаторлар тұрақты қысым айырмашылықтарын және баяу өзгеретін, төмен жиілікті қысым айырмашылықтарын "сүзіп" алады, бірақ қысымның жылдам өзгеруіне жол береді. Индуктор, токқа орналастырылған ауыр роторы бар роторлық қанатты сорғыға баламалы. Ротордың массасы және қанаттардың ауданы, судың инерция әсерінен сорғы арқылы ағымның (токтың) жылдам өзгеру қабілетін шектейді, бірақ уақыт берілгенде, тұрақты ағып жатқан ағым сорғы арқылы кедергісіз өтеді, өйткені ротор су ағысымен бірдей жылдамдықпен айналады. Ротордың массасы және оның қанаттарының ауданы индуктивтілікке сәйкес келеді, ал оның білігі мен подшипниктері арасындағы үйкеліс, кез келген суперөткізгіш емес индуктормен бірге жүретін кедергіге сәйкес келеді. Индуктордың басқа моделі - ыңғайлылығы үшін спиральға оралған ұзын құбыр. Бұл сұйықтық инерция құрылғысы нақты өмірде гидравликалық соққының маңызды бөлігі ретінде қолданылады. Құбыр арқылы ағып жатқан судың инерциясы индуктивті әсерді тудырады; индукторлар ағындағы жылдам өзгерістерді "сүзіп" алады, ал токтың баяу өзгеруіне жол береді. Құбыр қабырғаларының тудырған соғу, паразиттік кедергіге ұқсас. Кез келген модельде, ток қозғалысын бастамас бұрын құрылғыдағы қысым айырмашылығы (кернеу) болуы керек, сондықтан индукторларда кернеу токқа "жетектейді". Ток өскенде, оның ішкі үйкелісімен және тізбектің қалған бөлігі ұсына алатын токпен шектелгенде, құрылғыдағы қысымның төмендеуі азаяды. Идеалдық кернеу көзі (идеалдық батарея) немесе идеалдық ток көзі, кері байланыспен басқарылатын динамикалық сорғы. Екі жақтағы қысым өлкіштер көрсетуі бойынша, бұл сорғы өндірілетін токқа қарамастан, тұрақты қысым айырмашылығын тудырады. Егер бір ұшы жерге бекітілсе, басқа ұқсастық - су деңгейіне әсер етпейтіндей үлкен су көлемі. Идеалдық ток көзінің аналогын жасау үшін оң ығысулы сорғыны пайдаланыңыз: Ток өлкіш (кішкентай қанатты дөңгелек) осы сорғы тұрақты жылдамдықпен айдап бара жатқанда, кішкентай қанатты дөңгелектің тұрақты жылдамдығын сақтайды.

Басқа схема элементтері

Диод - бір жақты клапанға ұқсас, бірақ оның тұтқасы толығымен жабылмайды. Диодтай, клапанды ашу үшін шамалы қысым айырмасы қажет. Сондай-ақ диодтай, кері қысымның артық болуы клапанды зақымдауы немесе жоюы мүмкін. Транзистор - төменгі ток сигналымен (БЖТ үшін тұрақты ток, ал ФЭТ үшін тұрақты қысым) басқарылатын диафрагмалы клапан. Бұл диафрагма құбырдың басқа бөлігі арқылы өтетін токты өзгертетін иінтіректі қозғалтады. CMOS - екі MOSFET транзисторының үйлесімі. Кіріс қысымы өзгергенде, поршеньдер шығысты нөлдік немесе оң қысымға қосуға рұқсат береді. Мемистор - ағын өлшегішпен басқарылатын инелі клапан. Су алға қарай аққанда, инелі клапан ағынды шектейді, ал кері аққанда, инелі клапан толығырақ ашылып, кедергіні азайтады.

Іс жүзінде қолдану

Осы ұқсастық негізінде Йохан ван Вен 1937 жыл шамасында электрлік аналогты пайдаланып, су тасқыны ағыстарын есептеу әдісін жасады. 1953 жылы Нидерландыдағы Солтүстік теңіз су тасқынынан кейін ол бұл идеяны дамытты, нәтижесінде «Дельта» жұмыстары аясында жабылулар үшін гидравликалық есептеулер жүргізуге қолданылған «Дельта» аналогтық компьютері құрылды.

Салыстырманың шектері

Егер су аналогиясын шамадан тыс қолданса, қате түсініктер туындауы мүмкін. Көздік жүйедегі (гидравлика) құбылыстар мен мақсаттық жүйедегі (электроника) сәйкес құбылыстар арасындағы үйлесімсіздік жағдайында теріс көшіру орын алуы мүмкін.