Je známo, že elektrický obvod je soubor různých zařízení. Zajišťují průtok elektrický proud, většinu procesů v nich lze charakterizovat různými veličinami, jako je napětí, proud, odpor.
Na základě výše uvedeného můžeme říci, že elektrický obvod je soubor určitých předmětů a zařízení, které fungují jako „cesta“ pro tok elektrického proudu. V elektrický obvod Mohou protékat různé proudy, konstantní i střídavé. Elektrické obvody lze často nalézt v jejich grafické znázornění- elektrická schémata, označují všechny prvky přítomné v obvodu.
Typy elektrických obvodů
Podle struktury je lze rozdělit na dva hlavní typy: rozvětvené a nerozvětvené. První typ lze podmíněně připsat jednoduché typyřetězy. V takových elektrických obvodech protéká proud stejné síly. Rozvětvené řetězy mají poměrně jednoduchý, lineární vzhled. Obvykle obsahují malý počet prvků.
Rozvětvené řetězce však mohou být také jednoduché, to však neznamená, že mají složitou strukturu. Větvení řetězce pouze implikuje přítomnost uzlů a větví v něm.
Větev– jedná se o část elektrického obvodu uzavřenou mezi dvěma uzly, jejichž prvky jsou zapojeny do série. Síla proudu ve větvích rozvětvených obvodů může být různá. Uzel– místo připojení v elektrickém obvodu nejméně tří větví.
Další výrazná vlastnost obvodů od sebe je jejich linearita nebo nelinearita. Pokud obvod obsahuje nelineární prvky, pak se obvod nazývá nelineární. Takové prvky zahrnují prvky, které mají nelineární charakteristiku proud-napětí nebo coulomb-napětí. Pokud je v řetězci alespoň jeden takový prvek, pak celý řetězec patří do kategorie nelineární.
Lineární obvody neobsahují takové prvky; neobsahují pouze takové prvky, jako jsou kondenzátory, odpory a induktory. Lineární obvody lze chápat také jako obvody, které obsahují elektronická zařízení s určitými rozsahy charakteristik, tj. tyto charakteristiky jsou lineární. Mohou to být různé zesilovače, další zařízení s aktivními prvky atp.
Hlavní skupiny prvků elektrických obvodů
Jak již bylo zmíněno dříve, elektrický obvod jich nutně obsahuje nejvíce různé prvky, nesoucí své vlastní funkce. Všechny lze rozdělit do 3 skupin:
První skupina prvků- Toto jsou zdroje energie. Patří sem všechna zařízení, která slouží k napájení elektrického obvodu. Jedná se o různé baterie, galvanické články, termoelektrické a elektromechanické generátory atd. Dodávají energii elektrickému obvodu, jejich zvláštností je malý vnitřní odpor ve srovnání s odporem zbývajících prvků elektrického obvodu.
Druhá skupina prvků– zátěž ve skutečnosti zahrnuje všechna zařízení, která přeměňují elektrickou energii na jakékoli jiné typy: mechanické, tepelné, světelné atd. Zařízení v této skupině se také nazývají elektrické přijímače. Mezi elektrické přijímače patří různá zařízení, mechanismy, jako jsou elektromotory, osvětlení, ohřívače a další. Jejich hlavní charakteristiky jsou napětí a výkon. Aby zařízení fungovalo v normálním režimu, musí být na jeho koncích a svorkách vždy udržováno požadované stabilní napětí.
Třetí skupina prvky tvoří spínací prvky určené k přenosu elektrická energie od zdrojů energie (prvky první skupiny) po elektrické přijímače (prvky druhé skupiny). Patří sem dráty, různá zařízení podporující napětí a proud, měřicí zařízení, ochranná zařízení atd.
Vlastnosti spojovacích prvků elektrického obvodu
Všechny prvky elektrického obvodu se samozřejmě vzájemně ovlivňují, protože jsou nutně spojeny. Existují dva typy připojení: sekvenční A paralelní:
Na sériové připojení všechny prvky na sebe přesně navazují - „konec“ jednoho prvku je spojen se „začátkem“ druhého, který je stejným způsobem spojen s dalším prvkem. V tomto případě je nemožné získat rozvětvený řetězec. Paralelní obvod má odbočky, jde tedy o složitější a rozšířenější elektrický obvod.
ZÁKLADNÍ POJMY A ZÁKONY TEORIE ELEKTRICKÝCH OBVODŮ
Skutečný elektrický obvod je soubor zařízení určených k přenosu, distribuci a přeměně energie. V obecný případ elektrický obvod obsahuje zdroje elektrické energie, přijímače elektrické energie, měřicí přístroje, spínací zařízení, spojovací vedení a vodiče.
Elektrický obvod představuje soubor zdrojů, spotřebičů (resp. aktivních a pasivních prvků) a měničů elektrické energie zapojených určitým způsobem.
Řetěz se nazývá pasivní, pokud se skládá pouze z pasivních prvků, a aktivní, pokud obsahuje i aktivní prvky.
Zdroj elektrické energie nazývá se prvek elektrického obvodu, který přeměňuje neelektrickou energii na elektrickou energii. Například: galvanické články a baterie přeměňují chemickou energii, termočlánky - tepelné, elektromechanické generátory - mechanické.
Spotřebitel elektrické energie nazývá se prvek elektrického obvodu, který přeměňuje elektrickou energii na energii neelektrickou. Například: žárovky - do světla a tepla, topná zařízení- do tepelného, elektromotoru - do mechanického.
Měnič elektrické energie nazývá se zařízení, které mění velikost a formu elektrické energie. Například: transformátory, střídače převádějí stejnosměrný proud na střídavý proud, usměrňovače - střídavý proud na konstantní, zařízení pro převod frekvence.
Aby bylo možné provést výpočet, musí být zastoupeno každé elektrické zařízení ekvivalentní obvod. Ekvivalentní obvod elektrického obvodu se skládá ze sady idealizovaných prvků, které se zobrazují jednotlivé vlastnosti fyzicky existující zařízení. Tedy idealizovaný rezistor (odpor R) zohledňuje přeměnu elektromagnetické energie na teplo, mechanickou práci nebo její záření. Idealizovaný kondenzátor (kapacita S) a induktor (indukčnost L) se vyznačují schopností akumulovat energii z elektrických a magnetických polí, resp.
Zdroje, spotřebiče a propojovací vodiče tvoří elektrický obvod, v jehož každé sekci je a elektrické napětí a úniku elektřina. Obecně platí, že tato napětí a proudy mohou být konstantní a proměnlivé v čase a závisí na vlastnostech prvků obvodu. Tato část se bude zabývat stejnosměrnými proudy a napětími.
Reálné elektrické obvody jsou studovány pomocí modelů, které jsou znázorněny pomocí symboly tak jako elektrická schémata.
Napětí U na prvku elektrického obvodu je ve schématu (obr. 1.1) označena znaménky „+“ a „–“, které dávají smysl pouze při společném posouzení, protože znaménko "+" označuje bod s relativně vyšším potenciálem.
. (1.1)
Jednotka U– voltů (B).
Aktuální I v prvku elektrického obvodu je ve schématu označen šipkou (obr. 1.2) a udává směr uspořádaného pohybu kladného elektrické náboje, pokud je proud I vyjádřen kladným číslem.
Jednotka já– ampérech(A)
Vztah mezi proudem a napětím na prvku obvodu se nazývá proudově napěťová charakteristika (voltampérová charakteristika) prvek, který je obvykle znázorněn graficky. Na Obr. 1.3 ukazuje proudově-napěťové charakteristiky spotřebičů různé typy. Přímé charakteristiky proud-napětí (1) a (3) odpovídají lineárním prvkům a křivočaré charakteristiky proud-napětí (2) odpovídají nelineárním prvkům.
V tomto tutoriálu studujeme pouze lineární obvody, pro které platí vztah const = k nebo jeho odchylka od konstantní hodnoty je malá. V tomto případě, když je charakteristika proud-napětí znázorněna čárou blízkou přímce, má se za to, že spotřebitel poslouchá Ohmův zákon podle kterého jsou napětí a proud vzájemně úměrné. Tento faktor proporcionality k volal elektrický odpor živel R, která se měří v Omaha(Ohm).
Jako spotřebitel v teorii elektrických obvodů stejnosměrný proud funguje jako odpor vyznačující se odporem ( R), pro který platí Ohmův zákon:
nebo , . (1.3)
Označení rezistoru na elektrických obvodech je na Obr. 1.4.
Reciproční odpor se nazývá vodivost, která se měří v Siemens(Cm).
Ohmův zákon lze vyjádřit z hlediska vodivosti:
. (1.4)
V pasivních prvcích proud teče z bodů s relativně vysokým potenciálem do bodů s relativně nižším potenciálem. Proto na Obr. 1.5 aktuální šipka směřuje z „+“ na „–“, což odpovídá Ohmovu zákonu ve tvaru
. (1.5)
Pro označení přijatá na Obr. 1.6, Ohmův zákon by měl být zapsán v následujícím tvaru: .
V TOE je tedy spotřebitel modelován jako ideální spotřebitel, jehož vlastnosti jsou určeny hodnotou jediného parametru ( R nebo G).
Zdroje energie jsou modelovány pomocí Zdroj EMF (E), nebo zdroj napětí a zdroj proudu ( J). Proudově napěťové charakteristiky zdrojů energie jsou vnější charakteristiky, obvykle klesajícího charakteru, protože Ve většině případů, jak se proud zvyšuje, napětí zdroje klesá.
Idealizovaný zdroj napětí- jedná se o obvodový prvek, jehož napětí nezávisí na proudu a je danou konstantní hodnotou, odpovídá mu na Obr. 1,7 spojitá charakteristika proud-napětí.
Ve skutečnosti máme co do činění se skutečnými zdroji napětí, které se liší od ideální zdroje skutečnost, že jejich napětí klesá s rostoucím odběrem proudu. Proudově-napěťová charakteristika skutečného zdroje napětí je na Obr. 1.7 tečkovanou čarou, jejíž tečna úhlu sklonu je rovna vnitřnímu odporu zdroje napětí. R 0 . Jakýkoli skutečný zdroj s odporem zátěže R >> R 0 lze idealizovat následovně (obr. 1.8):
U 12 (skutečné) = HNĚV,
E skutečné = E-IR (1.6)
Vlastnosti zdroje EMF nebo skutečného zdroje napětí jsou tedy určeny dvěma parametry - generovaným EMF E a vnitřní odpor R 0 .
Idealizovaný zdroj proudu- jedná se o obvodový prvek, jehož proud nezávisí na napětí a je daná konstantní hodnota odpovídá spojité proudově-napěťové charakteristice na Obr. 1.9.
Ve skutečném zdroji proudu, jak se napětí zvyšuje, generovaný proud klesá. Proudově-napěťová charakteristika skutečného zdroje proudu je na Obr. 1.9 tečkovanou čarou, jejíž sklon se rovná vnitřní vodivosti zdroje proudu G 0 . Jakýkoli skutečný zdroj proudu lze zredukovat na idealizovaný takto (obr. 1.10):
, (1.7)
Kde J, G 0 – konstantní parametry.
Vlastnosti zdroje budícího proudu jsou tedy určeny dvěma parametry: budícím proudem J a vnitřní vodivost G 0 Méně G 0, čím blíže jsou charakteristiky skutečného zdroje proudu idealizovanému.
Protože vnitřní odpory skutečné zdroje lze vždy přičíst spotřebitelům obvodu dále, jsou uvažovány pouze idealizované zdroje napětí a proudu;
Vodiče propojující spotřebitele a zdroje jsou ze své podstaty také spotřebiteli energie. Často se však věří, že vodiče plní pouze spojovací funkce a slouží pouze k tomu, aby ukázaly, jak jsou jednotlivé prvky obvodu propojeny. Odpor vodičů, pokud je nelze zanedbat, je zohledněn připojením dalších spotřebičů na příslušných místech v obvodu.
V teorii lineárních elektrických obvodů je tedy předmětem studia kalkulační model, skládající se ze spotřebitelů a idealizovaných zdrojů, jejichž konfigurace a vlastnosti prvků jsou určeny podmínkami problému.
Při řešení problémů velká důležitost daný struktura elektrického obvodu (topologie), určený povahou spojení mezi prvky.
Elektrický obvod je soubor vzájemně propojených zdrojů a přijímačů elektrické energie, kterými může proudit elektrický proud.
Nejjednodušší elektrický obvod se skládá ze zdroje, jednoho nebo více sériově zapojených přijímačů elektrické energie (zátěže, spotřebiče) a propojovacích vodičů (obr. 1.2). Rýže. 1.2
Zdroj energie se tvoří vnitřní část obvody a spotřebitel - spolu s propojovacími vodiči, měřící nástroje a spínací zařízení - vnější část obvodu.
Když vnější a vnitřní část obvodu tvoří uzavřený obvod, dochází v obvodu k elektrickému proudu.
Velikost nebo síla proudu je určena množstvím elektřiny (náboje) procházejícího průřezem vodiče za jednotku času:
já=,A- pro stejnosměrný proud; ί
=
,A- pro střídavý proud.
Průchod elektrického proudu v obvodu je spojen s procesy kontinuální přeměny energie v každém z jeho prvků.
V procesu přeměny jiných typů energie na elektrickou energii je ve zdroji energie excitováno emf E,V.
Vnější obvod a samotný zdroj energie mají odpor proti průchodu elektrického proudu.
Fyzikální podstata ohmického odporu R– tepelný pohyb atomů a molekul tělesa (supravodivost). Velikost odporu závisí na materiálu, tvaru a velikosti vodiče:
R
=
,
Ohm.
(1.8)
Převrácená hodnota odporu se nazývá vodivost:
=,
Cm.
(1.9)
EMF E Napětí U, aktuální já, odpor R v nejjednodušším řetězci jsou spojeny Ohmovým zákonem:
já=
. (1.10)
Pro obvod na Obr. 1.2:
já=
. (1.11)
Z (1.11) vyplývá rovnice elektrického stavu obvodu (obr. 1.2):
E=Já R 0 +I R= I R 0 +U; (1.12)
E=U+I·R 0. (1.13)
Z (1.13) vyplývá, že E>U velikostí poklesu napětí na vnitřním odporu: já R 0. (1.14)
Na základě definice napětí lze napsat, jak pracovat na přesunutí náboje +1:
A=Uq= UIT; (1.15)
P=
=Ujá, (1.16)
Kde A- současná práce, J;R- aktuální výkon, W.
Pokud se v části obvodu elektrická energie přeměňuje pouze na teplo, lze vzorce (1.15) a (1.16) zapsat odlišně (nahrazením U=já R):
A=já 2 Rt A P= já 2 R.
Toto je Joule-Lenzův zákon (pro převod je akceptován koeficient 0,24 A z J PROTI výkaly).
Pro výpočet obvodů je vybrán podmíněně kladný směr E,U, já a je označeno šipkou (obr. 1.3).
Proud v nejjednodušším obvodu se shoduje ve směru s EMF. Ve složitém obvodu není směr proudu v žádné větvi vždy před výpočtem zřejmý, proto se volí libovolně. Šipka napětí U směřuje z bodů s vyšším potenciálem do bodů s nižším potenciálem.
1.3. Provozní režimy stejnosměrného elektrického obvodu
Nejcharakterističtější jsou 4 režimy: nominální, nečinný pohyb, zkrat a spárované.
Jmenovitý režim zdrojů a přijímačů v elektrickém obvodu se vyznačuje tím, že jejich napětí, proudy a výkony odpovídají hodnotám, pro které jsou výrobcem navrženy.
Režim nečinnosti. Proud zdrojů a přijímačů je nulový ( já=0).
Režim zkratu. Napětí v oblasti je nulové ( U zkrat=0), přijímač je bočník s velmi nízkým odporem R→0.
Koordinovaný režim - kdy pasivní prvek vnějšího obvodu pracuje s maximální výkon s tímto zdrojem.
Získat podmínky sjednaného režimu je snadné. Zapišme rovnici elektrického stavu nejjednoduššího obvodu (obr. 1.1):
E=U+R 0 já, Kde U=I·R. (1.17)
R– odpor vnějšího obvodu,
R 0 – odpor zdroje.
Vynásobme (1,17) tím já:
EI = UI + R 0 já 2 ,
P 1 = P 2 + P 0 ,
R 1 - zdroj energie,
R 2 – výkon přenášený do vnějšího obvodu,
R 0 – ztráta výkonu vnitřního zdroje.
R 2
=
Ujá=
R.I. 2
=
R
- má maximum
když hodnota: 
- maximum, tj.
(R 0 +R) 2 –2R(R 0 +R)= 0, R 0 +R–2R= 0R=R 0 .
V důsledku toho externí obvod a zdroj pracují v koordinovaném režimu, když R= R 0 .
Účinnost v přizpůsobeném režimu je:
η
=
=
=
=0,5.
Obvody přizpůsobeného režimu je třeba řešit, když nízká účinnost nemá rozhodující význam kvůli nízkému výkonu obvodu a když otázka maximálního výkonu v zátěži převažuje nad ekonomickými úvahami.
Každý člověk, pokud se samozřejmě nezřekl výhod civilizace, je obklopen mnoha elektrickými zařízeními. Příklady nemusíte hledat daleko: TV, telefon, nejobyčejnější atd. Základ všeho podobná zařízení je elektrický obvod. Mnoho literárních zdrojů uvádí podobné definice, nicméně ve vztahu k nejjednodušší odrůda. Proč tomu tak je, protože moderní elektronická zařízení jsou tak složitá, že jejich údržba je svěřena počítačovým systémům? Vskutku, zvláštní, zvláště pokud si vzpomínáte centrální procesorové jednotky osobní počítače se svými miliony tranzistorů - obsahují také elektrický obvod Důvodem výše uvedeného zjednodušení definice je, že jakýkoli, i ten nejsložitější, elektrické schéma mohou být zastoupeny ve formě velké množství nejjednodušší komponenty. Mimochodem, to je důvod, proč je možné hrát potřebné výpočty pomocí známých vzorců.
Takže jsme se rozhodli pro jednoduché a složité. Nyní si vysvětlíme, co je elektrický obvod. Aby to bylo jasnější, uvažujme nejjednodušší příklad- elektrická baterka. A to ne ten, který používá ovládací čip (přepínání režimů, blikání atd.), ale ten nejběžnější - s baterií, žárovkou a vypínačem. Skládá se z pouzdra, ve kterém je umístěn samotný zdroj, bateriového prostoru se dvěma kontakty. Vložením baterie do pouzdra a přepnutím spínače dosáhnete jasného směrového svitu svítilny. Po dokončení těchto akcí jsme vytvořili to, čemu se říká elektrický obvod (v odborném slangu jsme sestavili obvod). elektřina (baterie) se hnala po cestě: kladný pól kontakt - vodič, páčkový spínač - lampa - záporný pól. Říká se tomu „nejjednodušší elektrický obvod“. V příkladu s baterkou jsou tři prvky: zdroj EMF, přepínač a lampa. Stojí za zmínku, že pohyb elektronů (proud) je možný pouze podél uzavřená smyčka, takže pokud je přepínač vypnutý a obvod je přerušen, zmizí, ačkoli zdrojové napětí zůstane. Mimochodem, všechny procesy lze popsat a vypočítat nejen pomocí proudu, ale také pomocí napětí, výkonu a EMF.
Univerzálním výpočetním nástrojem je Ohmův zákon. V tomto případě to vypadá takto:
kde I je aktuální, Amperes; E - EMF, Volty; R - odpor žárovky, Ohm; r je odpor zdroje EMF, Ohm. V použitém příkladu se nebere v úvahu vliv pákového spínače, protože je zanedbatelný.
Elektrický obvod a jeho prvky tedy mohou obsahovat zdroj energie, rezistory, kondenzátory, polovodičové součástky atd. Navíc to vše musí být spojeno vodiči, které tvoří souvislou cestu pro průchod proudu.
Jednoduché řetězce se dělí na nerozvětvené a rozvětvené. V prvním případě prochází stejný proud všemi základními prvky (pravidlo pro spotřebitele). Ve druhém případě je dodatečně přidána jedna nebo více větví připojených k nejjednoduššímu uvažovanému obvodu prostřednictvím uzlů. V tomto případě vzniká smíšené zapojení obvodových prvků, takže hodnota proudu tekoucího v každé větvi je jiná. Větev je zde úsek elektrického obvodu, ve kterém všemi jeho prvky protéká stejný proud a jehož opačné konce jsou spojeny ve dvou uzlech. Podle toho je uzel bod v elektrickém obvodu, ve kterém se sbíhají tři nebo více větví. Na schémata zapojení uzly jsou často označeny tečkami, což zjednodušuje vnímání (čtení).