Инструменты пользователя

Инструменты сайта


examination:elt:question1

Линейные цепи постоянного тока. Основные понятия. Замена реального источника энергии эквивалентными источниками

Электрический ток - направленное движение заряженных частиц (электронов или ионов).

Постоянный ток - ток, неизменный по величине и направлению.

Электрической цепью называется совокупность источников и потребителей электрической энергии, соединенных друг с другом с помощью проводников.

Электромагнитные процессы в электрической цепи можно описать с помощью следующих понятий:

  • I (А) - сила тока - скалярная величина, численно равная заряду, протекающему в единицу времени через сечение проводника.
  • U (В) - напряжение равно отношению работы электрического поля по перемещению заряда к величине перемещаемого заряда на участке цепи.
  • R (Ом) – сопротивление - физическая величина, характеризующая свойства проводника препятствовать прохождению электрического тока и равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока, протекающего по нему
  • Р (Вт) – мощность - физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии.
  • G (См) – проводимость - это способность тела проводить электрический ток, а также физическая величина, характеризующая эту способность и обратная электрическому сопротивлению.

Зависимость тока, протекающего по элементу электрической цепи, от напряжения на его зажимах (или наоборот) называется вольтамперной характеристикой (ВАХ).

На рисунке изображены ВАХ линейного (ЛЭ) и нелинейного (НЭ) элементов.

Линейные элементы - элементы, ВАХ которых являются прямыми линиями.
Электрические цепи, имеющие только линейные элементы, называются линейными электрическими цепями.
Нелинейные элементы - элементы, ВАХ которых являются прямыми нелиниями.
Электрические цепи, имеющие только нелинейные элементы, называются нелинейными электрическими цепями.

Изображенная с помощью условных знаков электрическая цепь называется электрической схемой.

К электрическим устройствам относятся:

  • Источники электромагнитной энергии (генераторы) или источники электрических сигналов (аккумуляторы, гальванические элементы) - устройства, преобразующие механическую, химическую и так далее энергию в электрическую.
  • Применики, потребители - представляет собой резистор, обладающий электрическим сопротивлением R.
  • Устройства передачи и преобразования электрической энергии (кабели, провода, трансформаторы)

Замена реального источника энергии эквивалентными источниками

Источники электрической энергии - устройства, преобразующие механическую (генераторы), химическую (аккумуляторы) и так далее энергию в электрическую.

Эквивале́нтная схе́ма (схема замещения, эквивалентная схема замещения) — электрическая схема, в которой все реальные элементы заменены максимально близкими по функциональности цепями из идеальных элементов.

Необходимость эквивалентных схем

Одной из основных задач электроники является расчет электрических схем, то есть получение детальной количественной информации о процессах, происходящих в этой схеме. Однако рассчитать произвольную схему, состоящую из реальных электронных компонент, практически невозможно. Мешает расчету то обстоятельство, что попросту не существует методик математического описания поведения реальных электронных компонент (например, транзистора) как единого целого. Имеются значения отдельных параметров и экспериментально снятые зависимости, но связать их в единую точную формулу, полностью описывающую поведение компоненты, в большинстве случаев не представляется возможным.

С другой стороны, исключительно простым математическим аппаратом описываются идеализированные базовые элементы электронных схем (например, идеальный резистор). Однако они не существуют в реальном мире. Так, любой резистор имеет множество паразитных параметров: индуктивность, емкость, температурные зависимости и т.п.

Введение понятия эквивалентная схема позволяет «связать» мир реальных компонент и мир их идеальных приближений. Эквивалентная схема представляет собой цепь только из идеальных компонент, которая функционирует примерно также, как и исходная схема. В эквивалентной схеме могут быть отражены, при необходимости, различные паразитные эффекты: утечки, внутренние сопротивления и т.д. Эквивалентная схема может составляться как для одного элемента, так и для сложной цепи.

Реальные источники напряжения

Идеальный источник напряжения характеризуется только своим напряжением. Внутреннее сопротивление и сопротивление выводов равны нулю.

Идеальный источник напряжения (источник ЭДС) является физической абстракцией, то есть подобное устройство не может существовать. Если допустить существование такого устройства, то ток I, протекающий через него, стремился бы к бесконечности при подключении нагрузки, сопротивление RH которой стремится к нулю. Но при этом получается, что мощность источника ЭДС также стремится к бесконечности, так как P = EI. Но это невозможно, по той причине, что мощность любого источника энергии конечна.

В реальности, любой источник напряжения обладает внутренним сопротивлением r, которое имеет обратную зависимость от мощности источника. То есть, чем больше мощность, тем меньше сопротивление (при заданном неизменном напряжении источника) и наоборот. Наличие внутреннего сопротивления отличает реальный источник напряжения от идеального. Следует отметить, что внутреннее сопротивление — это исключительно конструктивное свойство источника энергии. Эквивалентная схема реального источника напряжения представляет собой последовательное включение источника ЭДС - Е (идеального источника напряжения) и внутреннего сопротивления - r.

Из лекции по поводу замены реального источника энергии

Электрическая цепь – совокупность источников и потребителей электрической энергии, соединенных между собой так, чтобы возникал контур для протекания тока.

Источники электрической энергии – устройства, преобразующие механическую, химическую и так далее энергию в электрическую.

Потребитель электрической энергии (нагрузка) представляет собой резистор, обладающий электрическим сопротивлением R.

Электрическая схема – условное графическое изображение электрической цепи.

Электрической ветвью называется участок цепи, в котором течет один ток.

Узел – место соединения трех и более ветвей.

В курсе электротехники реальный источник электрической энергии может быть представлен любым из двух элементов:

  1. Идеальный источник ЭДС с включенным с ним последовательно внутренним сопротивлением Rв
  2. Идеальный источник тока с включенным с ним параллельно внутренним сопротивлением Rв

Напряжение на зажимах идеального источника ЭДС не зависит от протекающего через него тока. Ток идеального источника тока не зависит от напряжения на его зажимах.

Реальный источник электрической энергии:

<m>I_{u}=E/R_{в}</m>

Для примера возьмем источник энергии с ЭДС = 50 В и Rв = 2 Ом. Ток идеального источника тока будет определяться как <m>I_{u}=50/2=25 A</m>. Примем, что ток нагрузки = 1А и определим напряжение на зажимах конца источника под нагрузкой.
1. При использовании первого эквивалента:

2. При использовании второго эквивалента напряжение можно определить как падение напряжения на <m>U=24*2=48 В</m>
(25-1)

Следующий пункт приведен для справки

Идеальные элементы

В эквивалентных схемах используются перечисленные ниже идеальные элементы. Предполагается также, что геометрические размеры эквивалентной схемы настолько малы, что какие-либо эффекты длинных линий отсутствуют, то есть эквивалентная схема рассматривается как система с сосредоточенными параметрами.

  • Резистор. Идеальный резистор характеризуется только сопротивлением. Индуктивность, емкость, а также сопротивление выводов равны нулю.
  • Конденсатор. Идеальный конденсатор характеризуется только ёмкостью. Индуктивность, утечка, тангенс угла потерь, диэлектрическое поглощение а также сопротивление выводов равны нулю.
  • Катушка индуктивности. Идеальная катушка индуктивности характеризуется только индуктивностью. Емкость, сопротивление потерь, а также сопротивление выводов равны нулю.
  • Источник ЭДС. Идеальный источник ЭДС характеризуется только своим напряжением. Внутреннее сопротивление и сопротивление выводов равны нулю.
  • Источник тока. Идеальный источник тока характеризуется только своим током. Утечка равна нулю.
  • Проводники. Элементы эквивалентной схемы соединены идеальными проводниками, то есть индуктивность, емкость и сопротивление проводников равны нулю.
examination/elt/question1.txt · Последние изменения: 2014/01/15 12:16 (внешнее изменение)