Je známe, že elektrický obvod je súbor rôznych zariadení. Zabezpečujú prietok elektrický prúd, väčšinu procesov v nich možno charakterizovať rôznymi veličinami, ako je napätie, prúd, odpor.
Na základe vyššie uvedeného môžeme povedať, že elektrický obvod je súbor určitých predmetov a zariadení, ktoré fungujú ako „cesta“ pre tok elektrického prúdu. IN elektrický obvod Môžu prúdiť rôzne prúdy, konštantné aj striedavé. Elektrické obvody možno často nájsť v ich grafické znázornenie- elektrické schémy, označujú všetky prvky prítomné v obvode.
Typy elektrických obvodov
Môžu byť rozdelené podľa ich štruktúry existujú dva hlavné typy: rozvetvené a nerozvetvené. Prvý typ možno podmienečne pripísať jednoduché typy reťaze. V takýchto elektrických obvodoch tečie prúd rovnakej sily. Rozvetvené reťaze majú pomerne jednoduchý, lineárny vzhľad. Zvyčajne obsahujú malý počet prvkov.
Rozvetvené reťazce však môžu byť aj jednoduché, to však vôbec neznamená, že sú zložité. Rozvetvenie reťazca znamená iba prítomnosť uzlov a vetiev v ňom.
Pobočka- je to časť elektrického obvodu uzavretá medzi dvoma uzlami, ktorých prvky sú zapojené do série. Prúdová sila vo vetvách rozvetvených okruhov môže byť rôzna. Uzol– miesto pripojenia v elektrickom obvode najmenej troch vetiev.
Ďalší rozlišovacia vlastnosť obvodov od seba je ich linearita alebo nelinearita. Ak obvod obsahuje nelineárne prvky, potom sa obvod nazýva nelineárny. Takéto prvky zahŕňajú prvky, ktoré majú nelineárne charakteristiky prúdového napätia alebo coulombovského napätia. Ak je v reťazci aspoň jeden takýto prvok, potom celý reťazec patrí do kategórie nelineárnych.
Lineárne obvody neobsahujú také prvky; neobsahujú iba také prvky, ako sú kondenzátory, odpory a induktory. Lineárne obvody môžeme chápať aj ako obvody, ktoré obsahujú elektronické zariadenia s určitými rozsahmi charakteristík, t.j. tieto charakteristiky sú lineárne. Môžu to byť rôzne zosilňovače, iné zariadenia s aktívnymi prvkami atď.
Hlavné skupiny prvkov elektrického obvodu
Ako už bolo spomenuté, elektrický obvod nevyhnutne obsahuje najviac rôzne prvky, ktoré majú svoje vlastné funkcie. Všetky možno rozdeliť do 3 skupín:
Prvá skupina prvkov- Toto sú zdroje energie. Patria sem všetky zariadenia, ktoré slúžia na napájanie elektrického obvodu. Sú to rôzne batérie, galvanické články, termoelektrické a elektromechanické generátory a pod. Dodávajú energiu elektrickému obvodu, ich zvláštnosťou je nízky vnútorný odpor v porovnaní s odporom ostatných prvkov elektrického obvodu.
Druhá skupina prvkov– v skutočnosti záťaž zahŕňa všetky zariadenia, ktoré premieňajú elektrickú energiu na akékoľvek iné typy: mechanické, tepelné, svetelné atď. Zariadenia v tejto skupine sa nazývajú aj elektrické prijímače. Elektrické prijímače zahŕňajú rôzne zariadenia mechanizmy, ako sú elektromotory, osvetlenie, ohrievače a ďalšie. Ich hlavnými charakteristikami sú napätie a výkon. Aby zariadenie fungovalo v normálnom režime, musí byť na jeho koncoch a svorkách vždy udržiavané požadované stabilné napätie.
Tretia skupina prvkov pozostáva zo spínacích prvkov určených na vysielanie elektrická energia od zdrojov energie (prvky prvej skupiny) po elektrické prijímače (prvky druhej skupiny). Patria sem drôty, rôzne zariadenia podporujúce napätie a prúd, meracie zariadenia, ochranné zariadenia atď.
Vlastnosti spojovacích prvkov elektrického obvodu
Samozrejme, všetky prvky elektrického obvodu navzájom interagujú, pretože sú nevyhnutne spojené. Existujú dva typy spojení: sekvenčné A paralelný:
O sériové pripojenie všetky prvky na seba presne nadväzujú - „koniec“ jedného prvku je spojený so „začiatkom“ druhého, ktorý je rovnakým spôsobom spojený s ďalším prvkom. V tomto prípade nie je možné získať rozvetvený reťazec. Paralelný obvod má odbočky, ide teda o zložitejší a rozšírenejší elektrický obvod.
ZÁKLADNÉ POJMY A ZÁKONY TEÓRIE ELEKTRICKÝCH OBVODOV
Skutočný elektrický obvod je súbor zariadení určených na prenos, distribúciu a premenu energie. IN všeobecný prípad elektrický obvod obsahuje zdroje elektrickej energie, prijímače elektrickej energie, meracie prístroje, spínacie zariadenia, spojovacie vedenia a vodiče.
Elektrický obvod predstavuje súbor zdrojov, spotrebičov (resp. aktívnych a pasívnych prvkov) a meničov elektrickej energie zapojených určitým spôsobom.
Reťaz je tzv pasívny, ak pozostáva len z pasívnych prvkov, a aktívny, ak obsahuje aj aktívne prvky.
Zdroj elektrickej energie nazývaný prvok elektrického obvodu, ktorý premieňa neelektrickú energiu na elektrickú energiu. Napríklad: galvanické články a batérie premieňajú chemickú energiu, termoprvky - tepelné, elektromechanické generátory - mechanické.
Spotrebiteľ elektrickej energie nazývaný prvok elektrického obvodu, ktorý premieňa elektrickú energiu na neelektrickú energiu. Napríklad: žiarovky - do svetla a tepla, vykurovacie zariadenia- do tepelného, elektromotorického - do mechanického.
Menič elektrickej energie nazývané zariadenie, ktoré mení veľkosť a formu elektrickej energie. Napríklad: transformátory, invertory premieňajú jednosmerný prúd na striedavý prúd, usmerňovače - striedavý prúd na konštantné, zariadenia na konverziu frekvencie.
Aby bolo možné vykonať výpočet, musí byť zastúpené každé elektrické zariadenie ekvivalentný obvod. Ekvivalentný obvod elektrického obvodu pozostáva zo sady idealizovaných prvkov, ktoré sa zobrazujú jednotlivé vlastnosti fyzicky existujúce zariadenia. Ide teda o idealizovaný odpor (odpor R) zohľadňuje premenu elektromagnetickej energie na teplo, mechanickú prácu alebo jej žiarenie. Idealizovaný kondenzátor (kapacita S) a induktor (indukčnosť L) sa vyznačujú schopnosťou akumulovať energiu z elektrických a magnetických polí, resp.
Zdroje, spotrebiče a spojovacie vodiče tvoria elektrický obvod, v každom úseku ktorého a elektrické napätie a úniku elektriny. Vo všeobecnosti môžu byť tieto napätia a prúdy konštantné a premenlivé v čase a závisia od vlastností prvkov obvodu. Táto časť sa bude zaoberať jednosmernými prúdmi a napätiami.
Reálne elektrické obvody sú študované pomocou modelov, ktoré sú zobrazené pomocou symbolov ako elektrické schémy.
Napätie U na prvku elektrického obvodu je na schéme (obr. 1.1) označený znakmi „+“ a „–“, ktoré dávajú zmysel len vtedy, keď sa uvažuje spolu, pretože znamienko „+“ označuje bod s relatívne vyšším potenciálom.
. (1.1)
Jednotka U– voltov (B).
Aktuálne I v prvku elektrického obvodu je v schéme označená šípkou (obr. 1.2) a označuje smer usporiadaného pohybu kladného elektrické náboje, ak je prúd I vyjadrený kladným číslom.
Jednotka ja– ampéroch(A)
Vzťah medzi prúdom a napätím cez prvok obvodu sa nazýva prúdovo-napäťová charakteristika (voltampérová charakteristika) prvok, ktorý je zvyčajne znázornený graficky. Na obr. 1.3 ukazuje charakteristiky prúdového napätia spotrebiteľov rôzne druhy. Priame charakteristiky prúd-napätie (1) a (3) zodpovedajú lineárnym prvkom a krivkové charakteristiky prúd-napätie (2) zodpovedajú nelineárnym prvkom.
V tomto návode študujeme iba lineárne obvody, pre ktoré platí vzťah const = k alebo jeho odchýlka od konštantnej hodnoty je malá. V tomto prípade, keď je charakteristika prúdového napätia znázornená čiarou blízkou priamke, má sa za to, že spotrebiteľ poslúchne Ohmov zákon podľa ktorého sú napätie a prúd navzájom úmerné. Tento faktor proporcionality k volal elektrický odpor element R, ktorá sa meria v Omaha(Ohm).
Ako spotrebiteľ v teórii elektrických obvodov priamy prúd pôsobí ako odpor charakterizovaný odporom ( R), pre ktorý platí Ohmov zákon:
alebo , . (1.3)
Označenie rezistora na elektrických obvodoch je znázornené na obr. 1.4.
Recipročný odpor je tzv vodivosť, ktorá sa meria v Siemens(Cm).
Ohmov zákon možno vyjadriť z hľadiska vodivosti:
. (1.4)
V pasívnych prvkoch prúdi prúd z bodov s relatívne vysokým potenciálom do bodov s relatívne nižším potenciálom. Preto na obr. 1.5 aktuálna šípka smeruje z „+“ na „–“, čo zodpovedá Ohmovmu zákonu v tvare
. (1.5)
Pre označenia prijaté na obr. 1.6, Ohmov zákon by mal byť napísaný v nasledujúcom tvare: .
V TOE je teda spotrebiteľ modelovaný ako ideálny spotrebiteľ, ktorého vlastnosti sú určené hodnotou jedného parametra ( R alebo G).
Zdroje energie sú modelované pomocou zdroj emf (E), alebo zdroj napätia a zdroj prúdu ( J). Prúdovo-napäťové charakteristiky zdrojov energie sú vonkajšie charakteristiky, zvyčajne klesajúceho charakteru, pretože Vo väčšine prípadov, keď sa prúd zvyšuje, napätie zdroja klesá.
Idealizovaný zdroj napätia- ide o obvodový prvok, ktorého napätie nezávisí od prúdu a je danou konštantnou hodnotou, ktorá mu zodpovedá na obr. 1,7 spojitá charakteristika prúd-napätie.
V skutočnosti máme do činenia so skutočnými zdrojmi napätia, ktoré sa líšia od ideálne zdroje skutočnosť, že ich napätie klesá so zvyšujúcim sa odberom prúdu. Prúdovo-napäťová charakteristika skutočného zdroja napätia je znázornená na obr. 1.7 bodkovanou čiarou, ktorej dotyčnica uhla sklonu sa rovná vnútornému odporu zdroja napätia. R 0 . Akýkoľvek skutočný zdroj s odporom záťaže R >> R 0 je možné idealizovať nasledovne (obr. 1.8):
U 12 (skutočné) = IR–E,
E skutočný = E-IR (1.6)
Vlastnosti zdroja EMF alebo skutočného zdroja napätia sú teda určené dvoma parametrami - generovaným EMF E a vnútorný odpor R 0 .
Idealizovaný zdroj prúdu- ide o obvodový prvok, ktorého prúd nezávisí od napätia a je daná konštantnou hodnotou, ktorá zodpovedá spojitej prúdovo-napäťovej charakteristike na obr. 1.9.
V skutočnom zdroji prúdu, keď sa napätie zvyšuje, generovaný prúd klesá. Prúdovo-napäťová charakteristika skutočného zdroja prúdu je znázornená na obr. 1.9 bodkovanou čiarou, ktorej sklon sa rovná vnútornej vodivosti zdroja prúdu G 0 . Akýkoľvek skutočný zdroj prúdu je možné zredukovať na idealizovaný nasledovne (obr. 1.10):
, (1.7)
Kde J, G 0 – konštantné parametre.
Vlastnosti zdroja budiaceho prúdu teda určujú dva parametre: budiaci prúd J a vnútornej vodivosti G 0 Menej G 0, čím bližšie sú charakteristiky skutočného zdroja prúdu k idealizovanému.
Pretože vnútorné odpory skutočné zdroje možno vždy pripísať spotrebiteľom okruhu ďalej, zvažujú sa iba idealizované zdroje napätia a prúdu;
Drôty spájajúce spotrebiteľov a zdroje sú tiež svojou povahou spotrebiteľmi energie. Často sa však verí, že drôty vykonávajú iba spojovacie funkcie a slúžia len na to, aby ukázali, ako sú jednotlivé prvky obvodu prepojené. Odolnosť vodičov, ak ich nemožno zanedbať, sa berie do úvahy pripojením ďalších spotrebiteľov na príslušné miesta v obvode.
V teórii lineárnych elektrických obvodov je teda predmetom štúdia výpočtový model, pozostávajúce zo spotrebiteľov a idealizovaných zdrojov, ktorých konfigurácia a vlastnosti prvkov sú určené podmienkami problému.
Pri riešení problémov veľký význam daný štruktúra elektrického obvodu (topológia), určené povahou spojení medzi prvkami.
Elektrický obvod je súbor navzájom prepojených zdrojov a prijímačov elektrickej energie, cez ktoré môže prúdiť elektrický prúd.
Najjednoduchší elektrický obvod pozostáva zo zdroja, jedného alebo viacerých sériovo zapojených prijímačov elektrickej energie (záťaže, spotrebiče) a spojovacích vodičov (obr. 1.2). Ryža. 1.2
Vytvára sa zdroj energie vnútorná časť obvody a spotrebiteľ - spolu so spojovacími vodičmi, meracie prístroje a spínacie zariadenia - vonkajšia časť obvodu.
Keď vonkajšia a vnútorná časť obvodu tvoria uzavretý obvod, v obvode sa vyskytuje elektrický prúd.
Veľkosť alebo sila prúdu je určená množstvom elektriny (náboja), ktorá prejde prierezom vodiča za jednotku času:
ja=,A- na jednosmerný prúd; ί
=
,A- na striedavý prúd.
Prechod elektrického prúdu v obvode je spojený s procesmi nepretržitej premeny energie v každom z jeho prvkov.
V procese premeny iných typov energie na elektrickú energiu je v zdroji energie excitované emf E,IN.
Vonkajší obvod a samotný zdroj energie majú odpor voči prechodu elektrického prúdu.
Fyzikálna povaha ohmického odporu R– tepelný pohyb atómov a molekúl telesa (supravodivosť). Veľkosť odporu závisí od materiálu, tvaru a veľkosti vodiča:
R
=
,
Ohm.
(1.8)
Prevrátená hodnota odporu sa nazýva vodivosť:
=,
Cm.
(1.9)
EMF E Napätie U, aktuálne ja, odpor R v najjednoduchšom reťazci sú spojené Ohmovým zákonom:
ja=
. (1.10)
Pre obvod na obr. 1.2:
ja=
. (1.11)
Z (1.11) vyplýva rovnica elektrického stavu obvodu (obr. 1.2):
E= ja R 0 +I R= I R 0 +U; (1.12)
E=U+I·R 0. (1.13)
Z (1.13) vyplýva, že E>U veľkosťou poklesu napätia na vnútornom odpore: ja R 0. (1.14)
Na základe definície napätia je možné napísať, ako pracovať na pohybe náboja +1:
A=Uq= UIT; (1.15)
P=
=Uja, (1.16)
Kde A- aktuálna práca, J;R- aktuálny výkon, W.
Ak sa v časti obvodu elektrická energia premieňa iba na teplo, potom vzorce (1.15) a (1.16) môžu byť napísané inak (nahradením U=ja R):
A=ja 2 Rt A P= ja 2 R.
Toto je Joule-Lenzov zákon (pre prevod je akceptovaný koeficient 0,24 A od J V výkaly).
Na výpočet obvodov sa vyberie podmienene kladný smer E,U, ja a je označený šípkou (obr. 1.3).
Prúd v najjednoduchšom obvode sa zhoduje v smere s EMF. V zložitom obvode nie je smer prúdu v ktorejkoľvek vetve vždy pred výpočtom zrejmý, preto sa volí ľubovoľne. Šípka napätia U smeruje z bodov s vyšším potenciálom do bodov s nižším potenciálom.
1.3. Prevádzkové režimy jednosmerného elektrického obvodu
Najcharakteristickejšie sú 4 režimy: nominálne, nečinný pohyb, skrat a spárované.
Nominálny režim zdrojov a prijímačov v elektrickom obvode sa vyznačuje tým, že ich napätia, prúdy a výkony zodpovedajú hodnotám, pre ktoré sú výrobcom navrhnuté.
Režim nečinnosti. Prúd zdrojov a prijímačov je nulový ( ja=0).
Režim skratu. Napätie v oblasti je nulové ( U skrat=0), prijímač je premostený s veľmi nízkym odporom R→0.
Koordinovaný režim - keď pasívny prvok vonkajšieho obvodu pracuje s maximálny výkon s týmto zdrojom.
Je ľahké získať podmienky dohodnutého režimu. Napíšme rovnicu elektrického stavu najjednoduchšieho obvodu (obr. 1.1):
E=U+R 0 ja, Kde U=I·R. (1.17)
R- odpor vonkajšieho obvodu,
R 0 - odpor zdroja.
Vynásobme (1,17) tým ja:
EI = UI + R 0 ja 2 ,
P 1 = P 2 + P 0 ,
R 1 - zdroj energie,
R 2 – výkon prenášaný do vonkajšieho obvodu,
R 0 – strata výkonu vnútorného zdroja.
R 2
=
Uja=
RI. 2
=
R
- má maximum
keď hodnota: 
- maximálne t.j.:
(R 0 +R) 2 -2R(R 0 +R)= 0, R 0 +R–2R= 0R=R 0 .
V dôsledku toho externý obvod a zdroj pracujú v koordinovanom režime, keď R= R 0 .
Účinnosť v spárovanom režime je:
η
=
=
=
=0,5.
Obvody prispôsobeného režimu sa musia riešiť vtedy, keď nízka účinnosť nie je rozhodujúca kvôli nízkemu výkonu obvodu a keď otázka maximálneho výkonu v záťaži prevažuje nad ekonomickými úvahami.
Každý človek, pokiaľ sa, samozrejme, nevzdal výhod civilizácie, je obklopený množstvom elektrických zariadení. Príklady nemusíte hľadať ďaleko: televízor, telefón, ten najobyčajnejší atď. Základ všetkého podobné zariadenia je elektrický obvod. Mnohé literárne zdroje uvádzajú podobné definície, avšak vo vzťahu k najjednoduchšia odroda. Prečo je to tak, pretože moderné elektronické zariadenia sú také zložité, že ich údržba je zverená počítačovým systémom? Naozaj, zvláštne, najmä ak si pamätáte centrálne procesorové jednotky osobné počítače so svojimi miliónmi tranzistorov - obsahujú aj elektrický obvod Dôvodom vyššie uvedeného zjednodušenia definície je, že akýkoľvek, akokoľvek zložitý, elektrická schéma môžu byť zastúpené vo forme veľká kvantita najjednoduchšie komponenty. Mimochodom, to je dôvod, prečo je možné vykonávať potrebné výpočty pomocou známych vzorcov.
Takže sme sa rozhodli pre jednoduché a zložité. Teraz si vysvetlíme, čo je elektrický obvod. Aby to bolo jasnejšie, pouvažujme najjednoduchší príklad- elektrická baterka. A nie ten, ktorý využíva ovládací čip (prepínanie režimov, blikanie a pod.), ale ten najbežnejší – s batériou, žiarovkou a vypínačom. Skladá sa z puzdra, v ktorom je umiestnený samotný zdroj, priehradky na batérie s dvoma kontaktmi. Vložením batérie do krytu a prepnutím spínača môžete dosiahnuť jasné, smerové svetlo svietidla. Po dokončení týchto akcií sme vytvorili to, čo sa nazýva elektrický obvod (v odbornom slangu sme zostavili obvod). elektrina (batérie) sa rútila po ceste: kladný pól kontakt - vodič, prepínač - lampa - záporný pól. Toto sa nazýva „najjednoduchší elektrický obvod“. V príklade s baterkou sú tri prvky: zdroj EMF, prepínač a lampa. Stojí za zmienku, že pohyb elektrónov (prúd) je možný iba pozdĺž uzavretá slučka, takže ak je prepínač vypnutý a obvod je prerušený, zmizne, hoci zdrojové napätie zostane. Mimochodom, všetky procesy možno opísať a vypočítať nielen pomocou prúdu, ale aj napätia, výkonu a EMF.
Univerzálnym výpočtovým nástrojom je Ohmov zákon. V tomto prípade to vyzerá takto:
kde I je aktuálne, Amperes; E - EMF, volty; R - odpor žiarovky, Ohm; r je odpor zdroja EMF, Ohm. V použitom príklade sa vplyv prepínača nezohľadňuje, pretože je zanedbateľný.
Elektrický obvod a jeho prvky teda môžu zahŕňať zdroj energie, odpory, kondenzátory, polovodičové súčiastky atď. Navyše to všetko musí byť spojené vodičmi, ktoré tvoria súvislú dráhu pre prechod prúdu.
Jednoduché reťazce sa delia na nerozvetvené a rozvetvené. V prvom prípade rovnaký prúd prechádza všetkými základnými prvkami (pravidlo pre spotrebiteľov). V druhom prípade sa dodatočne pridá jedna alebo viac vetiev, ktoré sú pripojené k najjednoduchšiemu uvažovanému obvodu cez uzly. V tomto prípade sa vytvorí zmiešané zapojenie prvkov obvodu, takže hodnota prúdu tečúceho v každej vetve je iná. Vetva je tu úsek elektrického obvodu, v ktorom rovnaký prúd preteká všetkými jeho prvkami a ktorého opačné konce sú spojené v dvoch uzloch. Podľa toho je uzol bod v elektrickom obvode, v ktorom sa zbiehajú tri alebo viac vetiev. Zapnuté obvodové schémy uzly sú často označené bodkami, čo zjednodušuje vnímanie (čítanie).