선형회로와 비선형회로의 차이점

1. 선형 및 비선형 회로란?

선형 회로는 저항, 커패시턴스, 인덕턴스 등과 같은  특성이 일정하게 유지되는 전기 회로입니다. 선형 회로는 회로의 매개변수가 전압 및 전류와 관련하여 변경되지 않는 회로입니다.

 

 

 

선형 회로는 간단히 말해서 일정한 회로 매개변수(저항, 인덕턴스, 커패시턴스, 파형, 주파수 등)를 갖는 전기 회로입니다.

"선형"이라는 단어는 가장 기본적인 의미에서 "직선과 함께"를 나타냅니다. 선형 회로는 이름에서 알 수 있듯이 전류와 전압 사이에 선형 특성을 가지며 회로를 통해 흐르는 전류가 인가 전압에 비례한다는 것을 의미합니다.

 

 

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인가 전압이 증가하면 회로를 통해 흐르는 전류도 증가하고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 회로 출력 특성 곡선은 전류와 전압(대각선) 사이에 그리면 직선으로 나타납니다.

비선형 회로는 전류와 전압에 따라 매개변수가 달라지는 전기 회로이기도 합니다. 비선형 회로는 파형, 저항, 인덕턴스 등과 같은 매개변수가 일정하지 않은 회로입니다.

 

비선형회로

 

 

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2. 선형 회로와 비선형 회로의 차이점

일반적으로 "선형"이라는 용어는 대각선처럼 보이는 직선을 말하며 전압과 전류 사이의 선형 특성을 설명합니다. 즉, 회로를 통해 흐르는 전류는 전압에 비례합니다. 전압이 증가하면 회로의 전류 흐름도 증가하고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 선형 회로의 출력 특성은 전류와 전압의 관계로 아래에 설명되어 있습니다.

 

선형 회로 및 그래프

 

선형 회로의 출력 응답은 입력에 정확히 비례합니다. 적용된 정현파의 주파수는 "f"이며, 출력은 두 사이트 사이의 전압이 적용된 정현파와 동일한 주파수를 갖는다는 것을 나타냅니다.

 

 

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비선형 회로의 출력 특성은 아래 다이어그램과 같이 전압과 전류 사이를 가로지르는 곡선처럼 보입니다.

 

비선형 회로 및 그래프

 

선형 회로와 비선형 회로의 또 다른 차이점은 회로가 해결되는 방식입니다. 선형 회로에서는 간단한 기술과 계산기를 사용하여 회로를 쉽게 해결할 수 있으며 비선형 회로와 비교할 때 선형 회로는 쉽게 해결할 수 있습니다.

 

비선형 회로는 많은 데이터와 지식이 필요하기 때문에 선형 회로보다 해결하기가 더 어렵습니다. 이제 기술의 상당한 발전으로 인해 Multisim, MATLAB 및 PSpice와 같은 회로 시뮬레이션 도구를 사용하여 선형 및 비선형 회로의 출력 곡선을 모델링하고 분석할 수 있습니다.

 

 

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선형 및 비선형 방정식을 사용하여 선형 회로와 비선형 회로의 차이를 식별할 수 있습니다. Y=X+2 및 Y=X^2입니다.

위의 두 방정식의 그래프 버전은 아래 다이어그램에 나와 있습니다. 방정식 중 하나라도 그래프에서 직선으로 표시되는 경우 선형 방정식입니다. 방정식이 곡선인 경우 비선형입니다.

 

두 방정식의 그래프 표현

 

 

조각별 선형은 아래 방정식으로 표시되며, 조각별 선형 x-y축 그래프도 아래에 설명되어 있습니다. 방정식을 다음과 같이 표현할 수 없기 때문에 비선형 방정식으로 간주합니다.

조각별 선형 형태

 

 

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3. 선형 회로와 비선형 회로의 주요 차이점은?

입력 신호와 출력 신호 사이의 관계는 비선형 회로와 선형 회로를 구별하는 것입니다. 모든 입력 신호 속도에 대해 선형 회로의 출력 신호와 입력 신호를 결정하면 그림은 직선이 됩니다. 비선형 회로의 출력은 직선이 아니며 곡선이 출력이 됩니다.

 

비선형 회로에서 또 다른 가능성은 출력이 입력의 조각별 함수라는 것입니다. 함수의 각 부분이 특정 입력 범위 내에서 선형이더라도 조각별 함수는 비선형입니다. 회로는 출력 신호가 다른 위치에서 불연속적이기 때문에 정의상 비선형입니다.

 

정류기 회로의 출력은 단순히 입력의 절대값(커패시터를 사용하여 평활화되기 전)이며 함수 abs(x)는 선형 함수의 수학적 정의를 충족하지 않습니다. 커패시터로 출력을 평활화한 후 결과는 일부 비정현파 리플이 있는 DC 신호입니다. AC 정현파 신호를 전송하지만 그 대가로 DC 전압과 비정현파를 얻습니다.

 

출력에서 필요한 비선형 응답을 달성하기 위해 이러한 형태의 비선형 회로는 비선형 회로 부품(특히 4개의 다이오드)의 응답을 활용합니다. 일반적인 회로 네트워크의 선형 및 비선형 구성 요소에는 각각 선형 및 비선형 회로 요소가 포함됩니다. 네트워크 출력의 선형 세그먼트가 비선형 회로 요소에 공급되면 회로의 총 출력이 비선형이 됩니다.

 

어떤 사람들은 과도 응답을 갖는 선형 회로(예: RLC 네트워크)가 본질적으로 비선형 회로라고 주장합니다. 현실은 그렇지 않다. 이 배열에서 출력 전류와 구동 전압/전류 사이의 관계는 선형으로 유지됩니다.

 

과도 응답은 입력 전압 또는 전류가 아닌 시간의 비선형 함수이기 때문에 그럼에도 불구하고 회로는 선형으로 분류됩니다. AC 구동 하에서도 여전히 선형 응답이 있는데, 이는 응답이 입력 신호 진폭과 주파수의 복잡한 선형 함수(즉, 단순 곱셈)이기 때문입니다.

 

 

 

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4. 선형 및 비선형 회로의 요소

비선형 요소는 전류와 전압 사이에 선형 관계가 없는 비선형 회로의 전기 요소입니다. 다이오드는 비선형 소자의 한 예이며 비선형 요소가 없는 전기 회로를 선형 회로라고 합니다.  트랜지스터, 다양한 반도체 장치, 진공관, 철심 인덕터 및 변압기는 비선형 요소의 예입니다. 조각별 선형은 비선형 곡선에 선형 곡선이 있음을 나타냅니다.

 

선형 회로의 선형 요소도 전기 요소이며 전압과 전류는 선형 연결을 갖습니다. 가장 일반적인 선형 요소는 저항이며 커패시터와 공심 인덕터가 있습니다.

 

선형 회로의 예

저항 및 저항 회로, 인덕터 및 유도 회로,  커패시터 및 용량 성 회로는 모두 선형 회로의 예입니다.

 

비선형 회로의 예

다이오드, 변압기, 철심, 인덕터 및  트랜지스터는 비선형 구성 요소가 있는 비선형 회로의 예입니다.

 

선형 및 비선형 회로의 응용

전기 회로에서는 선형 및 비선형 회로가 사용됩니다. 이러한 회로를 사용하여 전압 강하 및 전류를 결정할 수 있습니다.

 

비선형 회로의 신호 왜곡 및 피드백

비선형 회로의 가장 중요한 특성 중 하나는 정현파 여부에 관계없이 입력 신호를 형성(또는 왜곡)하는 능력입니다. 입력 전압/전류가 낮은 선형 영역에서 입력 전압/전류가 높은 비선형 영역으로 이동하면 주파수 영역과 시간 영역 모두에서 신호가 왜곡될 수 있습니다. 이 영향은 포화 및 피드백이 있는 회로의 주파수 및 시간 영역 모두에서 중요합니다.

 

일반적인 비선형 회로  구성 요소인 연산 증폭기를 고려하십시오. 출력은 낮은 수준의 입력 신호로 구동될 때 입력의 선형 함수가 됩니다. 출력은 입력이 높을 때 설정 값에서 평준화되고 포화됩니다. 이것은 입력 정현파 신호가 특정 포화 수준에 도달한 후 포화시켜 정현파를 구형파(예: 슈미트 트리거 회로)로 효과적으로 변환하는 데 사용할 수 있습니다. 선형 및 비선형 필터 설계의 핵심 측면은 입력 신호 강도의 함수로 여러 주파수를 수정할 수 있다는 것입니다.

 

증폭기 또는 비선형 소자를 갖는 다른 회로에서 포지티브 피드백은 비선형 응답에서 불안정성을 유발할 수 있습니다. 불안정성이 비선형 회로에만 국한되지 않는다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 피드백이 있는 경우 선형 시불변 회로도 불안정해질 수 있습니다. 회로의 전달 함수에서 극점과 영점을 찾으면 다루는 회로 유형에 관계없이 안정성 영역을 찾는 데 도움이 됩니다. 선형 회로의 경우 손으로 쉽게 수행할 수 있지만 비선형 회로의 경우 회로 시뮬레이터를 사용하여 수치적으로 수행해야 합니다.