เครือข่ายไฟฟ้า

ข่ายวงจรไฟฟ้า โครงข่ายไฟฟ้า (อังกฤษ: electrical network) หมายถึง การเชื่อมต่อเข้าด้วยกันของอุปกรณ์ไฟฟ้าต่างๆ เช่น ตัวต้านทาน ตัวเหนี่ยวนำ ตัวเก็บประจุ แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า แหล่งจ่ายกระแส สวิตช์ แต่ วงจรไฟฟ้า เป็นเครือข่ายที่มีเส้นทางไหลกลับ (อังกฤษ: return path) สำหรับกระแสไหลได้ครบวงจร เครือข่ายไฟฟ้าเชิงเส้น, วงจรไฟฟ้าพิเศษชนิดหนึ่งที่ประกอบด้วยแหล่งจ่าย (แรงดันหรือกระแส), อุปกรณ์เชิงเส้นเป็นกลุ่ม (ตัวต้านทาน, ตัวเหนี่ยวนำ, ตัวเก็บประจุหลายตัว) และอุปกรณ์เชิงเส้นที่กระจายกันอยู่ (สายส่ง) เหล่านี้มีคุณสมบัติที่สัญญาณต่าง ๆ สามารถทับซ้อนกันได้เป็นเส้นต่อเนื่อง เครือข่ายเหล่านี้จึงง่ายต่อการวิเคราะห์โดยใช้วิธีการของโดเมนความถี่ที่มีประสิทธิภาพ เช่นการแปลงของลาปลาซ เพื่อตรวจสอบการตอบสนองกับ DC, การตอบสนองกับ AC และการตอบสนองของสัญญาณที่เกิดระยะสั้น

วงจรไฟฟ้าอย่างง่ายประกอบไปด้วยแหล่งจ่ายไฟและตัวต้านทาน ในวงจรนี้จะเห็นว่า $V=iR$ ตาม กฏของโอห์ม และมีกระแสไหลครบวงจร ถ้าต่อเฉพาะอุปกรณ์ใดๆ เข้าด้วยกันโดยไม่ครบวงจรเรียกว่าเครือข่ายไฟฟ้า

วงจรตัวต้านทาน เป็นวงจรที่มีแต่ตัวต้านทานและแหล่งจ่ายกระแสและแรงดันในอุดมคติเท่านั้น การวิเคราะห์วงจรตัวต้านทานมีความซับซ้อนน้อยกว่าการวิเคราะห์วงจรที่ประกอบด้วยตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำ ถ้าแหล่งจ่ายไฟเป็นแหล่งจ่ายกระแสตรง(DC) ที่คงที่ วงจรนั้นเรียกว่าวงจร DC

เครือข่ายที่ประกอบด้วยชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่แอคทีฟ (หลอดสูญญากาศ, ทรานซิสเตอร์, วงจรรวม) เรียกว่า วงจรอิเล็กทรอนิกส์ เครือข่ายดังกล่าวโดยทั่วไปมักจะไม่เป็นเชิงเส้น และต้องมีการออกแบบและเครื่องมือในการวิเคราะห์ที่ซับซ้อนมากกว่า

การจัดหมวดหมู่

โดยความเป็นพาสซีฟ

เครือข่ายแอคทีฟเป็นเครือข่ายหนึ่งที่ประกอบด้วยแหล่งจ่ายที่แอคทีพเช่น แหล่งจ่ายแรงดันหรือแหล่งจ่ายกระแส

เครือข่ายพาสซีฟเป็นเครือข่ายที่ไม่มีแหล่งจ่ายที่แอคทีฟใดๆ มีแต่อุปกรณ์พาสซีฟ

โดยความเป็นเชิงเส้น

เครือข่ายเชิงเส้นหมายถึงเครือข่ายที่ค่าพารามิเตอร์ของตัวต้านทาน, ตัวเหนี่ยวนำ และตัวเก็บประจุมีค่าคงที่เมื่อเทียบกับกระแสหรือแรงดัน และแรงดันหรือกระแสของแหล่งจ่ายไม่ขึ้นอยู่กับหรือเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงดันและกระแสอื่นหรืออนุพันธ์อื่นของมันในเครือข่าย เครือข่ายเชิงเส้นจะประกอบด้วยแหล่งจ่ายที่เป็นอิสระ, แหล่งจ่ายไม่อิสระแต่เป็นเชิงเส้น และอุปกรณ์ที่เป็นพาสซีฟเชิงเส้นทั้งหมด สัญญาณของมันสร้างออกมาเป็นไปตามลำดับก่อนหลัง

การจำแนกประเภทของแหล่งจ่าย

แหล่งจ่ายสามารถแบ่งเป็น แหล่งจ่ายอิสระและแหล่งจ่ายไม่อิสระ

แหล่งจ่ายอิสระ

แหล่งจ่ายอิสระในอุดมคติจะรักษาระดับแรงดันหรือกระแสไว้เท่าเดิม โดยไม่คำนึงถึงองค์ประกอบอื่นๆในวงจร ระดับของแรงดันหรือกระแสเป็นได้ทั้ง คงที่(DC) หรือ ซายน์ (AC) ความแข็งแรงของแรงดันไฟฟ้าหรือกระแส จะไม่เปลี่ยนแปลงตามการเปลี่ยนแปลงของโหลดใด ๆ

แหล่งจ่ายไม่อิสระ

แหล่งจ่ายไม่อิสระจะขึ้นอยู่กับองค์ประกอบเฉพาะของวงจรสำหรับการส่งมอบกำลังไฟฟ้าหรือ แรงดันไฟฟ้า หรือกระแส ขึ้นอยู่กับชนิดของแหล่งมันเป็น

กฎของไฟฟ้า

กฎของไฟฟ้ามีเป็นจำนวนมากที่นำไปใช้กับทุกวงจรไฟฟ้า ได้แก่ :

• กฎกระแสของ Kirchhoff : ผลรวมของกระแสทั้งหมดที่เข้าโหนดจะมีค่าเท่ากับผลรวมของ กระแสทั้งหมดที่ออกจากโหนด
• กฎแรงดันไฟฟ้าของ Kirchhoff : ผลรวมโดยตรงของความต่างศักย์ไฟฟ้ารอบวงจรต้องเป็นศูนย์
• กฎของโอห์ม : แรงดันตกคร่อมตัวต้านทานจะมีค่าเท่ากับผลคูณของความต้านทานและกระแสที่ไหลผ่านตัวมัน
• ทฤษฎีบทของนอร์ตัน : วงจรของแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าหรือแหล่งจ่ายกระแสและตัวต้านทาน ใดๆมีความหมายทางไฟฟ้าเทียบเท่ากับแหล่งจ่ายกระแสหนึ่งแหล่งต่อแบบคู่ขนานกับตัวต้านทานตัวเดียว
• ทฤษฎีบทของเทเวนิน : วงจรของแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าหรือแหล่งจ่ายกระแสและตัวต้านทานใดๆมีความหมายทางไฟฟ้าเทียบเท่ากับแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าหนึ่งแหล่งต่อซีรีส์กับความต้านทานตัวเดียว

• ทฤษฎีบทการทับซ้อน : ในวงจรเชิงเส้นที่มีแหล่งจ่ายอิสระหลายแหล่ง การตอบสนองต่อสาขาใดสาขาหนึ่ง, เมื่อแหล่งจ่ายทั้งหมดทำหน้าที่พร้อมกัน, จะมีค่าเท่ากับผลรวมเชิงเส้นของแต่ละการตอบสนองนั้น การคำนวณได้จากการพูดคุยของแหล่งจ่ายอิสระทีละแหล่ง

วิธีการออกแบบ

การวิเคราะห์วงจรเชิงเส้น
องค์ประกอบไฟฟ้า
อุปกรณ์ไฟฟ้า
วงจรอนุกรมและขนาน
Impedance transforms
Generator theorems	Network theorems
Network analysis methods
Two-port parameters

การออกแบบวงจรไฟฟ้าใดๆ ทั้งอนาล็อกหรือดิจิทัล, วิศวกรไฟฟ้าจะต้องสามารถที่จะทำนาย แรงดันไฟฟ้าและกระแสที่ทุกสถานที่ภายในวงจร วงจรเชิงเส้นเป็นวงจรที่มีความถี่ที่อินพุทเท่ากับความถี่ที่เอาต์พุต สามารถวิเคราะห์ได้ด้วยมือโดยใช้ทฤษฎีจำนวนซับซ้อน วงจรอื่นๆจะสามารถวิเคราะห์ด้วยโปรแกรมซอฟต์แวร์พิเศษหรือเทคนิคการประมาณค่าเช่นรูปแบบ piecewise-linear เท่านั้น

ซอฟต์แวร์การจำลองวงจร เช่น HSPICE และภาษาเช่น VHDL-AMS และ Verilog-AMS ช่วยให้วิศวกรสามารถออกแบบวงจรโดยไม่ต้องเสียค่าใช้จ่าย เวลา และความเสี่ยงของความผิดพลาดที่เกี่ยวข้องในการสร้างต้นแบบวงจร

• ดูเพิ่มเติม Network analysis (electrical circuits).

กฎที่ซับซ้อนมากขึ้นอื่นๆอาจจำเป็นถ้าวงจรประกอบด้วยอุปกรณ์ที่ไม่เป็นเชิงเส้นหรืออุปกรณ์ปฏิกิริยา ระบบ heterodyning ปฏิรูปด้วยตนเองที่ไม่ใช่เชิงเส้นสามารถจะประมาณได้ การประยุกต์ใช้กฎเหล่านี้ให้ผลลัพธ์ในชุดของสมการที่จะสามารถแก้ไขได้ทั้งพีชคณิตหรือตัวเลขไปพร้อมกัน

ซอฟต์แวร์การจำลองวงจร

วงจรที่ซับซ้อนมากสามารถวิเคราะห์เป็นตัวเลขด้วยซอฟต์แวร์เช่น SPICE หรือ GNUCAP หรือ แบบสัญลักษณ์โดยการใช้ซอฟต์แวร์ เช่น SapWin

Linearization รอบจุดปฏิบัติการ

เมื่อต้องเผชิญกับวงจรใหม่, สิ่งแรก ซอฟแวร์จะพยายามที่จะหาคำตอบของสภาวะที่มั่นคง นั่นคือ อันที่ทำให้โหนดทั้งหมดเป็นไปตามกฎของกระแสและแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมของ Kirchhoff และผ่านแต่ละองค์ประกอบของวงจรที่สอดคล้องกับสมการแรงดัน/กระแสที่ควบคุมองค์ประกอบนั้น

เมื่อสามารถหาคำตอบของสภาวะที่มั่นคงได้แล้ว ก็จะสามารถหาจุดปฏิบัติการของแต่ละองค์ประกอบในวงจรพบด้วย สำหรับการวิเคราะห์สัญญาณขนาดเล็ก ทุกองค์ประกอบที่ไม่ใช่เชิงเส้น สามารถทำเป็นเชิงเส้นรอบจุดการดำเนินงานเพื่อการประมาณการของสัญญาณขนาดเล็กของแรงดันไฟฟ้าและกระแส นี่คือการประยุกต์ใช้กฎของโอห์ม เมทริกซ์วงจรเชิงเส้นที่ได้รับจะ สามารถแก้ปัญหาได้ด้วยการกำจัดแบบเกาส์

การประมาณการแบบ Piecewise-linear

ซอฟต์แวร์เช่น PLECS อินเตอร์เฟซกับ Simulink จะใช้การประมาณแบบ Piecewise-linear ของสมการที่ควบคุมองค์ประกอบของวงจร วงจรจะถูกถือว่าเป็นเครือข่ายเชิงเส้นอย่างสมบูรณ์ของไดโอดในอุดมคติ ทุกครั้งที่ไดโอดสวิทช์จากเปิดเป็นปิดหรือในทางกลับกัน คอนฟิกของเครือข่ายเชิงเส้นจะเปลี่ยน การเพิ่มรายละเอียดมากขึ้นในการประมาณของสมการจะไปเพิ่ม ความถูกต้องของการจำลอง แต่ก็เพิ่มเวลาการทำงานของมันด้วย

ดูเพิ่ม

• Bridge circuit
• Digital circuit
• Circuit diagram
• Circuit theory
• Diode bridge
• Quiescent current
• กราวด์ (ไฟฟ้า)
• Hydraulic analogy
• Impedance
• Load
• Mathematical methods in electronics
• เมมริสเตอร์
• Netlist
• Network analyzer (electrical)
• Network analyzer (AC power)
• Open-circuit voltage
• LC circuit
• RC circuit
• RL circuit
• RLC circuit
• Lumped element model and distributed element model
• Potential divider
• Prototype filter
• Schematic
• Series and parallel circuits
• Short circuit
• Superposition theorem
• Topology (electronics)
• Continuity test
• Voltage drop
• Mesh analysis