Введение

Широко используемая аналогия для объяснения электрических цепей.

Электронные гидравлические аналогии – это представление электрических цепей с помощью гидравлических цепей. Поскольку электрический ток невидимый, а процессы, происходящие в электронике, часто трудно продемонстрировать, различные электронные компоненты представляются гидравлическими эквивалентами. Электричество (а также тепло) изначально понималось как своего рода жидкость, и названия некоторых электрических величин (например, ток) происходят от гидравлических эквивалентов. Электронно-гидравлическая аналогия (иронично названная Оливером Лоджем "теорией дренажной трубы") является наиболее широко используемой аналогией для представления "электронной жидкости" в металлическом проводнике. Как и любая аналогия, она требует интуитивного и компетентного понимания базовых парадигм (электроники и гидравлики), и в случае гидравлической аналогии для электроники у студентов часто недостаточно знаний в области гидравлики. Гидравлический ом – это единица гидравлического импеданса, который определяется как отношение давления к объемной скорости потока. В этом определении переменные давления и объемной скорости потока рассматриваются как фазоры, следовательно, обладают как величиной, так и фазой. Несколько иная парадигма используется в акустике, где акустический импеданс определяется как соотношение между акустическим давлением и скоростью движения акустических частиц. В этой парадигме большая полость с отверстием аналогична конденсатору, накапливающему энергию сжатия при отклонении зависящего от времени давления от атмосферного. Отверстие (или длинная трубка) аналогично индуктору, накапливающему кинетическую энергию, связанную с потоком воздуха.

Напряжение, ток и заряд

В общем, электрический потенциал эквивалентен напору. Эта модель предполагает, что вода течет горизонтально, поэтому силу тяжести можно не учитывать. В этом случае электрический потенциал эквивалентен давлению. Напряжение (или падение напряжения, или разность потенциалов) – это разница давлений между двумя точками. Электрический потенциал обычно измеряется в вольтах. Электрический ток эквивалентен объемной скорости потока жидкости, то есть объему протекающей воды в единицу времени. Обычно измеряется в амперах. Единица электрического заряда аналогична единичному объему воды.

Основные элементы схемы

Относительно широкий шланг, полностью заполненный водой, эквивалентен проводящей проволоке. Жестко закрепленная труба эквивалентна проводнику на печатной плате. При сравнении с проводником или проволокой, шланг или труба должны рассматриваться как имеющие полупостоянные заглушки на концах. Подключение одного конца провода к цепи эквивалентно снятию заглушки с одного конца шланга и его присоединению к другому. За редкими исключениями (например, источник высокого напряжения), провод с одним концом, подключенным к цепи, не будет работать; шланг остается заглушенным на свободном конце и, следовательно, ничего не добавляет в цепь. Резистор эквивалентен сужению в просвете трубы, требующему большего давления для прохождения того же количества воды. Все трубы обладают некоторым сопротивлением потоку, как и все провода и проводники – некоторым сопротивлением току. Узел (или соединение) в правиле Кирхгофа для узлов эквивалентен тройнику трубы. Суммарный поток воды в тройник (заполненный водой) должен быть равен суммарному потоку воды из него. Конденсатор эквивалентен резервуару с одним соединением на каждом конце и резиновой перегородкой, разделяющей резервуар вдоль пополам (гидравлический аккумулятор). Когда вода нагнетается в одну трубу, равное количество воды одновременно выталкивается из другой трубы, однако вода не может проникнуть через резиновую перегородку. Энергия запасается за счет растяжения резины. По мере увеличения тока, протекающего "через" конденсатор, контрдавление (напряжение) возрастает, таким образом, ток "опережает" напряжение в конденсаторе. По мере приближения контрдавления от растянутой резины к приложенному давлению, ток становится все меньше и меньше. Таким образом, конденсаторы "фильтруют" постоянные разности давлений и медленно изменяющиеся, низкочастотные разности давлений, пропуская при этом быстрые изменения давления. Индуктор эквивалентен роторному насосу с тяжелым ротором, помещенным в поток. Масса ротора и площадь поверхности лопастей ограничивают способность воды быстро изменять скорость потока (тока) через насос из-за эффектов инерции, но, со временем, постоянный поток будет проходить через насос почти 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 соответствует сопротивлению, сопровождающему любой не сверхпроводящий индуктор. Альтернативная модель индуктора – это просто длинная труба, возможно, свернутая в спираль для удобства. Это устройство инерции жидкости используется в реальной жизни как важный компонент гидравлического тарана. Инерция воды, протекающей через трубу, создает эффект индуктивности; индукторы "фильтруют" быстрые изменения потока, пропуская медленные изменения тока. Сопротивление, создаваемое стенками трубы, в некоторой степени аналогично паразитному сопротивлению. В любой модели разность давлений (напряжения) на устройстве должна присутствовать до начала движения тока, таким образом, в индукторах напряжение "опережает" ток. По мере увеличения тока, приближающегося к пределам, определяемым его собственным внутренним трением и током, который может обеспечить остальная часть цепи, падение давления на устройстве становится все меньше и меньше. Идеальный источник напряжения (идеальная батарея) или идеальный источник тока – это динамический насос с обратной связью. Манометр с обеих сторон показывает, что независимо от производимого тока, этот тип насоса создает постоянную разность давлений. Если один вывод зафиксирован на земле, то другой аналогией является большой водоем на большой высоте, достаточно большой, чтобы откачиваемая вода не влияла на уровень воды. Для создания аналогии идеального источника тока используйте насос вытеснительного типа: счетчик тока (маленькое колесо с лопастями) показывает, что когда этот тип насоса приводится в движение с постоянной скоростью, он поддерживает постоянную скорость вращения маленького колеса с лопастями.

Другие элементы схемы

Диод эквивалентен одностороннему обратному клапану с незначительной утечкой в седле клапана. Как и в случае диода, для открытия клапана требуется небольшая разница давлений. И подобно диоду, чрезмерное обратное напряжение может повредить или разрушить клапанную сборку. Транзистор – это клапан, в котором диафрагма, управляемая слабым током (постоянным током для BJT или постоянным давлением для FET), перемещает плунжер, который влияет на ток в другом участке трубопровода. CMOS – это комбинация двух MOSFET-транзисторов. При изменении входного давления поршни позволяют выходному каналу подключаться либо к нулевому, либо к положительному давлению. Мемистор – это игольчатый клапан, управляемый расходомером. При движении воды в прямом направлении игольчатый клапан усиливает сопротивление потоку; при движении воды в обратном направлении игольчатый клапан открывается больше, уменьшая сопротивление.

Практическое применение

На основе этой аналогии Йохан ван Вен разработал около 1937 года метод вычисления приливных течений с помощью электрического аналогового устройства. После наводнения в Северном море в 1953 году в Нидерландах он усовершенствовал эту идею, что в конечном итоге привело к созданию аналогового компьютера «Deltar», который использовался для гидравлических расчетов при строительстве защитных сооружений в рамках программы «Дельта».

Пределы аналогии

Если аналогия с водой доведена до крайности, она может порождать заблуждения. Отрицательное перенесение может возникнуть при несоответствии между явлениями в исходной области (гидравлике) и соответствующими явлениями в целевой области (электронике).