수동성(엔지니어링)

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수동성은 엔지니어링 시스템의 특성으로, 아날로그 전자제품 및 제어 시스템에서 가장 일반적으로 볼 수 있습니다.일반적으로 아날로그 설계자는 수동성을 사용하여 점진적으로 수동적인 컴포넌트 및 시스템을 참조합니다.이 컴포넌트 및 시스템은 파워 게인이 불가능합니다.반대로 제어 시스템 엔지니어는 열역학적으로 수동적인 것을 참조하기 위해 수동성을 사용합니다. 열역학적으로 수동적인 것은 에너지를 소비하지만 생산하지는 않습니다.따라서 컨텍스트나 한정자가 없으면 수동이라는 용어는 애매합니다.

완전히 패시브 컴포넌트로 구성된 전자회로를 패시브 회로라고 하며 패시브 컴포넌트와 동일한 특성을 가집니다.

컴포넌트가 패시브하지 않으면 액티브컴포넌트입니다

열역학적 수동성

제어시스템 및 회로망 이론에서 패시브 컴포넌트 또는 회로는 에너지를 소비하지만 에너지를 생성하지는 않습니다.이 방법론에서 전압 및 전류 소스는 활성으로 간주되며, 저항기, 콘덴서, 인덕터, 트랜지스터, 터널 다이오드, 메타물질 및 기타 산란 및 에너지 중립 구성요소는 비활성으로 간주됩니다.회로 설계자는 때때로 이 클래스의 컴포넌트를 방산적 또는 열역학적으로 수동적이라고 부릅니다.

많은 책들이 수동성에 대한 정의를 제공하지만, 이들 중 많은 책들은 초기 조건이 어떻게 처리되는지에 대한 미묘한 오류를 포함하고 있으며, 때로는 그 정의가 메모리가 있는 모든 유형의 비선형 시변 시스템에 일반화되지 않을 수 있다.아래는 와이어트 ^[1]등의 올바른 정식 정의로, 다른 많은 정의의 문제점도 설명하고 있습니다.상태 표현 S와 초기 상태 x를 가진 n-포트 R이 주어졌을 때, 사용 가능한 에너지_A E를 다음과 같이 정의합니다.

$\displaystyle E_{A}(x)=\sup _{x\to T\geq 0}\int _{0}^{T}-\langle v(t),i(t)\rangle },{\mathord {d}}}$

여기서_x→T≥0 표기법 sup은 모든 T † 0과 모든 허용 쌍 {v(··)}에 대해 고정 초기 상태 x(예: 시스템의 주어진 초기 조건에 대한 모든 전압-전류 궤적)를 취한다는 것을 나타낸다.E가 모든 초기 상태 x에 대해 유한한 경우 시스템은_A 수동적인 것으로 간주됩니다.그렇지 않으면 시스템이 활성으로 간주됩니다.대략적으로 말하면, 내부 곱${\displaystyle \theta v}$(${\displaystyle }$t )${\displaystyle }$, ${\displaystyle i}$( t ) ${\$ { $displaystyle$\$langle v$ ( t ) , i ( t ) \ $rangle$}는$$ 순간 전력(전압과 전류의 곱)이며_A, E는 순간 전력(에너지)의 적분의 상한이다.이 상한(모든 T 0 0에 대해 인수됨)은 특정 초기 조건 x에 대해 시스템에서 사용 가능한 에너지입니다. 시스템의 모든 가능한 초기 상태에 대해 사용 가능한 에너지가 유한하다면 시스템은 수동이라고 불립니다.

증분 수동성

회로 설계에서 패시브 컴포넌트는 비공식적으로 전력 게인이 불가능한 컴포넌트를 가리킵니다.즉, 신호를 증폭할 수 없습니다.이 정의에 따르면 패시브 컴포넌트에는 캐패시터, 인덕터, 저항기, 다이오드, 변압기, 전압원 ^[2]및 전류원이 포함됩니다.트랜지스터, 진공관, 릴레이, 터널 다이오드, 글로우관과 같은 장치는 제외됩니다.공식적으로 메모리리스 2단자 소자의 경우, 이는 전류-전압 특성이 단조롭게 증가하고 있음을 의미합니다.이 때문에 제어시스템 및 회선 네트워크 이론가들은 이러한 디바이스를 로컬 패시브, 증분 패시브, 증가, 단조 증가 또는 단조로움이라고 부릅니다.이 정의가 메모리가 있는 멀티포트 디바이스에서 어떻게 공식화될지는 명확하지 않습니다.실제로 회로 설계자는 이 용어를 비공식적으로 사용하기 때문에 ^{[nb 1]}공식화할 필요가 없을 수 있습니다.^[3]

이 용어는 많은 다른 맥락에서 구어체로 사용됩니다.

• 패시브 USB-PS/2 어댑터는 와이어, 잠재적인 저항 및 유사한 패시브 컴포넌트(증분 및 열역학적 의미)로 구성됩니다.액티브 USB-PS/2 어댑터는 신호를 변환하는 로직으로 구성됩니다(증분적인 의미에서 액티브).
• 패시브 믹서는 저항기(증가적으로 패시브)로만 구성되는 반면 액티브 믹서는 게인(액티브)이 가능한 성분을 포함합니다.
• 오디오 작업에서는 균형 회선과 불균형 회선 사이에 (점증적으로) 수동 변환기와 능동 변환기를 모두 찾을 수 있습니다.패시브 밸/언발 컨버터는 일반적으로 필요한 커넥터와 함께 변압기일 뿐이며 액티브한 것은 일반적으로 차동 구동 또는 계측 증폭기로 구성됩니다.

수동성에 대한 기타 정의

전자 공학에서 게인 또는 정류 기능(다이오드 등)을 보이는 장치는 활성으로 간주됩니다.저항기, 콘덴서, 인덕터, 변압기 및 회전자만 ^[4][5]수동적인 것으로 간주됩니다.추상 이론의 관점에서 다이오드는 비선형 저항으로 간주될 수 있지만 저항기의 비선형성은 일반적으로 방향성이 아니며, 이는 다이오드가 ^[6]활성으로 분류되는 특성입니다.미국 특허 상표청은 다이오드를 활성 ^[7]장치로 분류하는 조직 중 하나입니다.

소형 신호 모델이 수동적이지 않은 시스템을 로컬 액티브(예: 트랜지스터 및 터널 다이오드)라고 부르기도 합니다.시간 가변 비교란 상태에 대해 전력을 발생시킬 수 있는 시스템을 종종 파라메트릭 액티브(예를 들어 특정 유형의 비선형 캐패시터)^[8]라고 합니다.

안정성.

패시브 회로는 대부분의 경우 특정 기준 하에서 안정적이라는 것을 증명하기 위해 사용할 수 있습니다.이는 위의 패시브 정의 중 하나만 사용하는 경우에만 유효하다는 점에 유의하십시오.이 두 가지 컴포넌트가 혼재되어 있는 경우 시스템이 어떤 기준으로든 불안정할 수 있습니다.또한 패시브 회로는 모든 안정성 기준에서 안정적일 필요는 없습니다.예를 들어 공진 직렬 LC 회로는 유계 전압 입력에 대해 무제한 전압 출력을 가지지만 리아푸노프의 의미에서는 안정적이며 주어진 유계 에너지 입력은 유계 에너지 출력을 가집니다.

수동성은 안정적인 제어 시스템을 설계하거나 제어 시스템의 안정성을 보여주기 위해 제어 시스템에서 자주 사용됩니다.이는 특히 크고 복잡한 제어 시스템의 설계에서 중요합니다(예: 비행기의 안정성).수동성은 회로 설계의 일부 영역, 특히 필터 설계에서도 사용됩니다.

패시브 필터

패시브 필터는 패시브 컴포넌트로만 구성된 일종의 전자 필터입니다. 액티브 필터와는 달리 외부 전원(신호 외)이 필요하지 않습니다.대부분의 필터는 선형이기 때문에 대부분의 경우 수동 필터는 저항기, 캐패시터, 인덕터 및 변압기의 4가지 기본 선형 요소만으로 구성됩니다.보다 복잡한 수동 필터는 비선형 요소 또는 전송 선로와 같은 보다 복잡한 선형 요소를 포함할 수 있습니다.

패시브 필터에는 액티브필터보다 몇 가지 장점이 있습니다.

• 안정성 보장
• 액티브 디바이스가 실용적이지 않은 경우가 많은 대규모 신호(수십 암페어, 수백 볼트)까지 확장 가능
• 전원장치 불필요
• 종종 개별 설계에서는 비용이 저렴합니다(대형 코일이 필요하지 않은 경우).
• 선형 필터의 경우 필요한 컴포넌트에 따라 선형성이 높아질 수 있습니다.

일반적으로 스피커 크로스오버 설계(전압과 전류가 적당히 크고 전원 장치에 쉽게 접근할 수 없기 때문에), 배전 네트워크에서의 필터(전압과 전류가 크기 때문에), 전원 장치의 바이패스(저비용 및 경우에 따라서는 전력 요건에 따라서는) 및 다양한 디스크리트 설계에서 사용됩니다.(저비용으로 심플하게) 자가 양조 회선.패시브 필터는 일체형 집적회로 설계에서는 일반적이지 않습니다.여기서 액티브디바이스는 저항기 및 캐패시터에 비해 가격이 저렴하고 인덕터는 매우 비쌉니다.그러나 패시브 필터는 하이브리드 집적회로에서 여전히 찾아볼 수 있습니다.실제로, 설계자가 하이브리드 형식을 사용하도록 유도하는 수동적 필터를 통합하고자 하는 욕구일 수 있습니다.

통전성 및 비통전성 패시브 회로 소자

패시브 회로 소자는 통전 종류와 비통전 종류로 나눌 수 있다.전류가 통과할 때 통전성 패시브 회로 소자가 공급되는 에너지의 일부를 열로 변환합니다.그것은 산만하다.전류가 통과할 때 비통전성 패시브 회로 소자는 공급되는 에너지를 모두 열로 변환하지 않습니다.비파괴성입니다.저항기는 통전성이 있습니다.이상적인 콘덴서, 인덕터, 변압기 및 자이로이터는 전원이 ^[9]공급되지 않습니다.

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레퍼런스

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