निष्क्रियता (इंजीनियरिंग)

निष्क्रियता (इंजीनियरिंग) ऐसी प्रणालियों की एक विशेषता है, जिसे सामान्यतः एनालॉग इलेक्ट्रॉनिक्स और नियंत्रण प्रणालियों में पाया जाता है। सामान्यतः एनालॉग डिजाइनर निष्क्रियता का उपयोग वृद्धिशील रूप से निष्क्रिय घटकों और प्रणालियों को संदर्भित करने के लिए करते हैं जो विद्युत धारा प्राप्त करने में असमर्थ होते हैं। इसके विपरीत नियंत्रण प्रणाली को इंजीनियरिंग मे ऊष्मागतिकीय रूप से निष्क्रिय परिपथ को संदर्भित करने के लिए निष्क्रियता का उपयोग किया जाता है जो प्रायः ऊर्जा का उपभोग करते हैं, लेकिन उत्पादन नहीं करते हैं। इस प्रकार संदर्भ या गुणक के अतिरिक्त निष्क्रियता शब्द अस्पष्ट है। प्रायः पूर्ण रूप से निष्क्रिय घटकों से युक्त इलेक्ट्रॉनिक परिपथ को निष्क्रिय परिपथ कहा जाता है क्योकि इसमें निष्क्रिय घटक के समान गुण होते हैं। यदि कोई घटक निष्क्रिय नहीं है, तो वह एक सक्रिय घटक हो सकता है।

ऊष्मागतिकीय निष्क्रियता

नियंत्रण प्रणालियों और परिपथ नेटवर्क सिद्धांत में, एक निष्क्रिय घटक या परिपथ वह होता है जो ऊर्जा का उपभोग करता है, लेकिन ऊर्जा का उत्पादन नहीं करता है। इस पद्धति के अंतर्गत वोल्टेज और धारा परिपथ को सक्रिय माना जाता है, जबकि प्रतिरोधक, संधारित्र, प्रेरक, ट्रांजिस्टर, टनल डायोड, मेटामटेरियल्स और अन्य क्षणिक ऊर्जा न्यूट्रल घटकों को निष्क्रिय माना जाता है। परिपथ डिजाइनर कभी-कभी घटकों के इस परिपथ को क्षणिक या ऊष्मागतिकीय रूप से निष्क्रियता के रूप में संदर्भित करते हैं।

जबकि कई पुस्तकें निष्क्रियता के लिए परिभाषाएँ देती हैं लेकिन इनमें से कई में प्रारंभिक स्थितियों के उपयोग के तरीके में सूक्ष्म त्रुटियाँ होती हैं और कभी-कभी परिभाषाएँ निष्क्रियता के साथ सभी प्रकार की गैर-रेखीय प्रणालियों के लिए सामान्यीकृत नहीं होती हैं। नीचे एक सही औपचारिक परिभाषा दी गई है, जो व्याट से ली गई है। जो कई अन्य परिभाषाओं के साथ समस्याओं की व्याख्या भी करती है। धारा प्रतिनिधित्व S और प्रारंभिक स्थिति x के साथ n-पोर्ट R को देखते हुए, स्थित ऊर्जा E_A को इस प्रकार परिभाषित किया जा सकता है:

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

जहां संकेतन sup_x→T≥0 इंगित करता है कि $sup$ को सभी T ≥ 0 और सभी परिपथ मे {v(·), i(·)} के रूप मे निश्चित प्रारंभिक स्थिति x (उदाहरण के लिए वोल्टेज धारा परिपथ) के साथ ले लिया गया है। जहां परिपथ की प्रारंभिक स्थिति दी गई है। एक प्रणाली को निष्क्रिय माना जाता है यदि E_A सभी प्रारंभिक स्थिति x के लिए सीमित है। अन्यथा प्रणाली सक्रिय माना जाता है। सामान्यतः आंतरिक उत्पाद $\langle v(t),i(t)\rangle$ तात्क्षणिक ऊर्जा (उदाहरण के लिए वोल्टेज और धारा का उत्पाद) है और तात्क्षणिक ऊर्जा E_A के अभिन्न भाग पर ऊपरी सीमा मे है। यह ऊपरी सीमा (सभी T ≥ 0 पर ली गई) विशेष प्रारंभिक स्थिति x के लिए परिपथ में स्थित ऊर्जा है। यदि परिपथ की सभी संभावित प्रारंभिक स्थितियों के लिए स्थित ऊर्जा सीमित है, तो परिपथ को निष्क्रिय परिपथ कहा जाता है।

वृद्धिशील निष्क्रियता

परिपथ डिज़ाइन में अनौपचारिक रूप से निष्क्रिय घटक उन घटकों को संदर्भित करते हैं जो विद्युत प्राप्त करने में सक्षम नहीं होते हैं। इसका अर्थ यह है कि वे संकेतों को प्रवर्धित (एम्प्लिफाई) नहीं कर सकते है। इस परिभाषा के अंतर्गत निष्क्रिय घटकों में संधारित्र, प्रेरक, प्रतिरोधक, डायोड, ट्रांसफार्मर, वोल्टेज स्रोत और धारा स्रोत सम्मिलित हैं। इनमें ट्रांजिस्टर, वैक्यूम ट्यूब, रिले, टनल डायोड और ग्लो ट्यूब जैसे उपकरण सम्मिलित नहीं हैं। औपचारिक रूप से परीक्षण रहित दो-टर्मिनल तत्व के लिए इसका अर्थ है कि धारा-वोल्टेज विशेषता मोनोटिनिकल रूप से बढ़ रही है। इस कारण से नियंत्रण प्रणाली और परिपथ नेटवर्क सिद्धांतकार इन उपकरणों को स्थानीय रूप से निष्क्रिय, वृद्धिशील रूप से निष्क्रिय, मोनोटोन या मोनोटोनिक के रूप में संदर्भित करते हैं। यह स्पष्ट नहीं है कि मेमोरी के साथ मल्टीपोर्ट उपकरणों के लिए इस परिभाषा को कैसे औपचारिक रूप दिया जा सकता है। एक सामान्य स्थिति के रूप में परिपथ डिजाइनर इस शब्द का उपयोग अनौपचारिक रूप से करते हैं। इसलिए इसे औपचारिक रूप देना आवश्यक नहीं हो सकता है। इस शब्द का प्रयोग कई अन्य संदर्भों में सामान्य भाषा के रूप में किया जाता है:

• एक निष्क्रिय यूएसबी से पीएस/2 एडेप्टर में तार, संभावित प्रतिरोधक और समान निष्क्रिय (वृद्धिशील और ऊष्मागतिकीय दोनों अर्थों में) घटक होते हैं। एक सक्रिय पीएस/2 एडेप्टर में संकेतों का अनुवाद करने के लिए तर्क (वृद्धिशील अर्थों में सक्रिय) होते हैं।
• एक निष्क्रिय मिक्सर में केवल प्रतिरोधक (वृद्धिशील रूप से निष्क्रिय) होते हैं, जबकि एक सक्रिय मिक्सर में लाभ (सक्रिय) में सक्षम घटक सम्मिलित होते हैं।
• ऑडियो यूएसबी में कोई भी संतुलित और असंतुलित लाइनों के बीच निष्क्रिय और सक्रिय दोनों प्रकार के परिवर्तक पाए सकते हैं। एक निष्क्रिय बलून परिवर्तक सामान्यतः अपेक्षित कनेक्टर के साथ-साथ केवल एक ट्रांसफार्मर होता है, जबकि एक सक्रिय परिवर्तक में सामान्यतः एक अंतर ड्राइव या इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर होता है।

निष्क्रियता की अन्य परिभाषाएं

इलेक्ट्रॉनिक इंजीनियरिंग में ऐसे उपकरण जो एक्ज़िबिट या डायोड प्रदर्शित करते हैं सामान्यतः उनको सक्रिय माना जाता है। केवल प्रतिरोधक, संधारित्र, प्रेरक, ट्रांसफार्मर और जाइरेटर को निष्क्रिय माना जाता है। अमूर्त सिद्धांत के संदर्भ में डायोड को गैर-रैखिक प्रतिरोधक माना जा सकता है, लेकिन किसी प्रतिरोधक में गैर-रैखिकता सामान्य रूप से दिष्ट नहीं होती है, जो वह गुण है जिसके कारण डायोड को सक्रिय के रूप में वर्गीकृत किया जाता है। संयुक्त राज्य अमेरिका पेटेंट और ट्रेडमार्क डायोड को सक्रिय उपकरणों के रूप में वर्गीकृत करने वाले संगठनों में से एक है।

वे प्रणालियाँ जिनके लिए छोटा संकेत मॉडल (जैसे ट्रांजिस्टर और टनल डायोड) निष्क्रिय नहीं है, उन्हें कभी-कभी स्थानीय रूप से सक्रिय कहा जाता है। ऐसे परिपथ जो अप्रभावित स्थिति में विद्युत उत्पन्न कर सकते हैं, उन्हें प्रायः पैरामीट्रिक रूप से सक्रिय कहा जाता है। जिनमे उदाहरण के लिए कुछ प्रकार के गैर-रैखीय संधारित्र सम्मिलित हैं।

स्थिरता

अधिकांश स्थितियों में निष्क्रियता का उपयोग यह प्रदर्शित करने के लिए किया जा सकता है कि निष्क्रिय परिपथ विशिष्ट मानदंडों के अंतर्गत स्थिर होते हैं। यह केवल तभी कार्य करते हैं जब निष्क्रियता की उपरोक्त परिभाषाओं में से केवल एक का उपयोग किया जाता है। यदि दोनों के घटकों को मिश्रित किया जाता है, तो परिपथ किसी भी मानदंड के अंतर्गत अस्थिर हो सकता है। इसके अतिरिक्त सभी स्थिरता मानदंडों के अंतर्गत निष्क्रिय परिपथ आवश्यक रूप से स्थिर नहीं होते हैं। उदाहरण के लिए एक गुंजायमान (रेसोनंट) LC परिपथ में एक बाध्य वोल्टेज इनपुट के लिए असीमित वोल्टेज आउटपुट होता है लेकिन लाइपुनोव के अनुसार यह आउटपुट स्थिर होता है और दी गई बाध्य ऊर्जा इनपुट में बाध्य ऊर्जा आउटपुट होती है।

स्थिर नियंत्रण प्रणालियों को डिज़ाइन करने या नियंत्रण प्रणालियों में स्थिरता दिखाने के लिए नियंत्रण प्रणालियों में प्रायः निष्क्रियता का उपयोग किया जाता है। यह बड़ी जटिल नियंत्रण प्रणालियों (जैसे हवाई जहाज की स्थिरता) के डिजाइन में विशेष रूप से महत्वपूर्ण है। विशेष रूप से निष्क्रियता का उपयोग परिपथ डिज़ाइन के कुछ क्षेत्रों जैसे फ़िल्टर डिज़ाइन में भी किया जाता है।

निष्क्रिय फ़िल्टर

निष्क्रिय फ़िल्टर एक प्रकार का इलेक्ट्रॉनिक फ़िल्टर है जो एक सक्रिय फ़िल्टर के विपरीत केवल निष्क्रिय घटकों से बनाया जाता है। इसे बाहरी ऊर्जा स्रोत की आवश्यकता नहीं होती है चूंकि अधिकांश फिल्टर रैखिक होते हैं। अधिकांश स्थितियों निष्क्रिय फिल्टर केवल चार आधारिक रैखिक तत्वों जैसे प्रतिरोधक, संधारित्र, प्रेरक और ट्रांसफार्मर से बने होते हैं। अधिक जटिल निष्क्रिय फ़िल्टर में गैर-रेखीय तत्व या अधिक जटिल रैखिक तत्व जैसे विद्युत संचार लाइनें सम्मिलित हो सकती हैं।

टेलीविज़न सिग्नल स्प्लिटर जिसमें एक निष्क्रिय उच्च-पास फ़िल्टर (बाएं) और एक निष्क्रिय निम्न-पास फ़िल्टर (दाएं) सम्मिलित है। जिसमे ऐन्टेना केंद्र के बाईं ओर स्क्रू टर्मिनलों से जुड़ा हुआ है।

सक्रिय फ़िल्टर पर निष्क्रिय फ़िल्टर के कई लाभ होते हैं:

• स्थिरता
• बड़े सिग्नलों (दसियों एम्पीयर, सैकड़ों वोल्ट) के लिए पैमाने होते है, जहां सक्रिय उपकरण प्रायः निष्क्रिय होते हैं।
• विद्युत की आपूर्ति की आवश्यकता नहीं होती है।
• अलग-अलग डिज़ाइने अपेक्षाकृत कम कीमती होती है जब तक कि बड़े कॉइल की आवश्यकता नहीं होती है।
• रैखिक फिल्टर के लिए आवश्यक घटकों के आधार पर संभावित रूप से अधिक रैखिकता होती है।

इनका उपयोग सामान्यतः स्पीकर क्रॉसओवर डिज़ाइन (बड़े वोल्टेज और धारा के कारण और विद्युत आपूर्ति तक सामान्य संचालन की कमी के कारण), विद्युत वितरण नेटवर्क में फिल्टर (बड़े वोल्टेज और धारा के कारण), विद्युत आपूर्ति को बायपास (कम लागत के लिए और कुछ स्थितियों में विद्युत की आवश्यकताओं के लिए) करने में किया जाता है। साथ ही विभिन्न प्रकार के अलग और घरेलू-ब्रू परिपथ (कम लागत और सरलता के लिए) मोनोलिथिक इंटीग्रेटेड परिपथ डिजाइन में निष्क्रिय फिल्टर असामान्य होते हैं। जहां सक्रिय उपकरण प्रतिरोधक और संधारित्र की तुलना में अपेक्षाकृत मितव्ययी होते हैं और प्रेरक सामान्यतः कीमती होते हैं। हालाँकि निष्क्रिय फ़िल्टर अभी भी हाइब्रिड एकीकृत परिपथ में पाए जाते हैं। प्रायः यहाँ एक निष्क्रिय फिल्टर को सम्मिलित करने की आवश्यकता हो सकती है, जिसके कारण डिजाइनर हाइब्रिड परिपथ का उपयोग करने के लिए प्रेरित करते हैं।

ऊर्जावान और गैर-ऊर्जावान निष्क्रिय परिपथ तत्व

निष्क्रिय परिपथ तत्वों को ऊर्जावान और गैर-ऊर्जावान प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है। जब धारा इससे होकर गुजरती है, तो एक ऊर्जावान निष्क्रिय परिपथ तत्व इस आपूर्ति की गई कुछ ऊर्जा को ऊष्मा में परिवर्तित कर देता है। सामान्यतः यह क्षणिक होता है और जब धारा इससे होकर गुजरती है, तो एक गैर-ऊर्जावान निष्क्रिय परिपथ तत्व इस आपूर्ति की गई ऊर्जा को ऊष्मा में परिवर्तित नहीं करता है क्योकि गैर-ऊर्जावान निष्क्रिय परिपथ ऊर्जा-संरक्षी नहीं होता है। प्रतिरोधक ऊर्जावान होते हैं, इसीलिए संधारित्र, जाइरेटर, प्रेरक और ट्रांसफार्मर गैर-ऊर्जावान होते हैं।

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अग्रिम पठन

• Khalil, Hassan (2001). Nonlinear Systems (3rd ed.). Prentice Hall. ISBN 0-13-067389-7.—Very readable introductory discussion on passivity in control systems.
• Chua, Leon; Desoer, Charles; Kuh, Ernest (1987). Linear and Nonlinear Circuits. McGraw–Hill Companies. ISBN 0-07-010898-6.—Good collection of passive stability theorems, but restricted to memoryless one-ports. Readable and formal.
• Desoer, Charles; Kuh, Ernest (1969). Basic Circuit Theory. McGraw–Hill Education. ISBN 0-07-085183-2.—Somewhat less readable than Chua, and more limited in scope and formality of theorems.
• Cruz, Jose; Van Valkenberg, M.E. (1974). Signals in Linear Circuits. Houghton Mifflin. ISBN 0-395-16971-2.—Gives a definition of passivity for multiports (in contrast to the above), but the overall discussion of passivity is quite limited.
• Wyatt, J.L.; Chua, L.O.; Gannett, J.; Göknar, I.C.; Green, D. (1978). Foundations of Nonlinear Network Theory, Part I: Passivity. Memorandum UCB/ERL M78/76, Electronics Research Laboratory, University of California, Berkeley.
  Wyatt, J.L.; Chua, L.O.; Gannett, J.; Göknar, I.C.; Green, D. (1980). Foundations of Nonlinear Network Theory, Part II: Losslessness. Memorandum UCB/ERL M80/3, Electronics Research Laboratory, University of California, Berkeley.
  — A pair of memos that have good discussions of passivity.
• Brogliato, Bernard; Lozano, Rogelio; Maschke, Bernhard; Egeland, Olav (2007). Dissipative Systems: Analysis and Control, 2nd edition. Springer Verlag London. ISBN 978-1-84628-516-5.—A complete exposition of dissipative systems, with emphasis on the celebrated KYP Lemma, and on Willems' dissipativity and its use in Control.