1.2. Электрическая цепь и ее элементы
Электрическая цепь – совокупность устройств (элементов), предназначенных для направленного движения электрических зарядов (электрического тока) и связанных с ним электромагнитных процессов.
Электрическая цепь служит для генерирования, передачи и преобразования электрической (электромагнитной) энергии и сигналов.
Основные элементы электрической цепи – источники, приемники и линии передачи.
Источник электрической энергии и сигналов – устройство, преобразующее различные виды энергии неэлектромагнитной природы в электромагнитную (гальванический элемент, аккумулятор, электромеханический генератор).
Приемник электрической энергии и электрических сигналов – устройство, преобразующее электрическую энергию в другие виды энергии (электротермические устройства, электрические лампы, резисторы, электрические двигатели).
Линия передачи электрической энергии и электрических сигналов – проводники (материалы, среды, имеющие свободные заряды) и электромагнитные поля, с помощью которых осуществляется передача электрической энергии и сигналов от источников к приемникам.
Кроме того, элементами электрической цепи могут быть преобразовательные, коммутационные и измерительные устройства (приборы).
Преобразователь электрической энергии – устройство, преобразующее параметры (напряжение, ток, их форму, величину, частоту) электромагнитной энергии (трансформаторы, выпрямители, инверторы, преобразователь частоты).
Коммутационные устройства предназначены для изменения режима работы электрической цепи: отключение и включение источников, приемников, изменения параметров участков цепи. Это контакторы, переключатели, выключатели, разъединители.
Измерительные устройства – приборы для измерения различных параметров электромагнитных процессов, протекающих в электрической цепи (амперметры, вольтметры, ваттметры и т.д.).
Схема электрической цепи – графическое изображение электрической цепи, содержащее условные изображения ее элементов и показывающее соединение этих элементов.
ЕСКД «Обозначения условные графические в схемах». ГОСТ 2.721-74 – 2.758-81.
Приемники, источники:
–элемент гальванический;
–лампа накаливания;
–генератор постоянного тока электромеханического типа;
–резистор;
–потенциометр;
–реостат;
–катушка индуктивности;
–конденсатор.
Коммутационные устройства:
–нормально разомкнутый контакт;
–нормально замкнутый контакт;
–переключающий контакт.
Показывающие приборы (A, V, W):
Преобразовательные устройства:
–воздушный трансформатор;
–диодный мост (двухполупериодный выпрямитель);
–инвертор.
Принципиальная схема электрической цепи – схема электрической цепи, изображающая соединение реальных элементов этой цепи.
Пример. Простейшая электрическая цепь – гальванический элемент, соединенный с лампой накаливания через выключатель с помощью соединительных проводов. Для измерения напряжения и тока в цепь включены вольтметр и амперметр.
Функциональная (структурная, блок-схема) – схема электрической цепи, изображающая соединение отдельных блоков сложной электрической цепи, выполняющих определенные функции (усиление, выпрямление, инвертирование т.д.)
Двухполюсник – часть электрической цепи, которая рассматривается относительно двух каких-либо зажимов.
Четырехполюсник – часть электрической цепи, имеющая два входных и два выходных зажима.
Активная цепь – часть электрической цепи, в которой действуют источники электрической энергии.
Пассивная цепь – часть электрической цепи, в которой нет источника электрической энергии.
Схема замещения электрической цепи
Ни функциональная, ни принципиальная схемы электрических цепей не отражают количественную сторону электромагнитных процессов, которые имеют место в элементах цепи и которые определяют режим работы этой цепи независимо от конструкции и физической природы этих элементов.
Схема замещения(расчетная математическая модель, эквивалентная)электрической цепи–схема электрической цепи, изображающая соединения абстрактных, идеальных элементов, с достаточным приближением отображающих электромагнитные процессы в электрической цепи.
В теории электрических цепей реальные элементы, из которых составляется электрическая цепь, заменяются абстрактными идеальными элементами с определенными свойствами.
Какие же это элементы? И какие электромагнитные процессы они отражают?
Источник
Электрическая цепь и ее элементы
§ 1.1. Классификация электрических цепей и их элементов
Электрической цепью называют совокупность устройств и объектов, предназначенных для распределения, взаимного преобразования и передачи электрической и других видов энергии и (или) информации. Свое назначение цепь выполняет при наличии в ней электрического тока. Электромагнитные процессы в цепи и ее параметры могут быть описаны с помощью известных из курса физики интегральных понятий: ток, напряжение (разность потенциалов), заряд, магнитный поток, электродвижущая сила, сопротивление, индуктивность, взаимная индуктивность и емкость.
В отличие от электрической цепи электромагнитные процессы в ряде электротехнических устройств характеризуются дифференциальными понятиями: вектор напряженности электрического поля и вектор электрического смещения, вектор напряженности магнитного поля и вектор магнитной индукции, плотность заряда и вектор плотности тока, удельная электрическая проводимость и др. Анализ устройств, процессы в которых описываются с помощью дифференциальных понятий, рассматривают в теории электромагнитного поля.
Следует отметить, что именно в теории поля дается определение интегральных понятий (таких, как ток и напряжение), характеризующих электрическую цепь. Расчет параметров цепи (сопротивлений, индуктивностей, емкостей) в общем случае также возможен только с помощью понятий, используемых в теории поля.
В некоторых случаях одно и то же устройство можно анализировать и методами теории цепей, и методами теории поля. Например, линия передачи электрической энергии может рассматриваться как цепь с распределенными параметрами или как направляющая система для электромагнитного поля. Выбор того или иного метода зависит от конкретных целей анализа, необходимой точности и других факторов.
Электрическая цепь состоит из отдельных частей (объектов), выполняющих определенные функции и называемых элементами цепи.
Основными элементами цепи являются источники и приемники электрической энергии (сигналов).
Источники энергии (сигналов), такие, как электромеханические или электронные генераторы, аккумуляторы, гальванические элементы, термодатчики и т. д., предназначены для преобразования различных видов энергии в электрическую энергию.
Приемники энергии (сигналов) служат для преобразования электрической энергии в другие виды энергии. К ним относятся электрические двигатели, нагревательные приборы, электрические лампы, электронно-лучевые трубки, динамические громкоговорители и др.
Кроме основных элементов, цепь содержит различные вспомогательные элементы, которые связывают источники с приемниками (соединительные провода, линии передачи), подавляют или усиливают определенные составляющие сигналов (фильтры, усилители), изменяют уровень напряжения и тока в других частях цепи (трансформаторы), улучшают или изменяют характеристики и параметры участков цепи и ее элементов (корректирующие устройства, фазовые звенья) и т. п.
По назначению различают цепи для передачи и преобразования электрической энергии (цепи, применяемые в электроэнергетике) и цепи для передачи и преобразования информации (цепи в технике связи, радиотехнические цепи, цепи устройств автоматики и телемеханики и т. д.).
Цепи можно классифицировать по типу элементов, из которых они состоят, например, резистивные цепи — цепи, состоящие из резисторов и источников энергии, электронные цепи — цепи, содержащие электронные лампы и транзисторы, и т. д.
У каждого элемента цепи можно выделить определенное число зажимов (полюсов, выводов), с помощью которых он соединяется с другими элементами.’
Различают двухполюсные и многополюсные (трехполюсные, четырехполюсные и т. д.) элементы цепи. Двухполюсные элементы имеют два зажима; к ним относятся источники энергии (за исключением многофазных и управляемых источников), резисторы, конденсаторы, индуктивные катушки.
Наиболее распространенные трехполюсные элементы — это электронные лампы (вакуумные триоды) и транзисторы (полупроводниковые триоды). 4
Примерами четырехполюсных элементов могут служить трансформаторы (двухобмоточные), индуктивные катушки с подмагничиванием (дроссели с подмагничиванием), интегральные операционные усилители.
Элементы цепи, имеющие более четырех зажимов, также находят применение (например, многообмоточные трансформаторы, различные микромодули — твердотельные компоненты электронных схем, многоэлектродные электронные лампы). Различают активные и пассивные элементы цепи. К активным элементам относятся источники энергии. Часто активными элементами называют также электронные лампы, транзисторы, операционные усилители, которые способны усиливать электрические сигналы. К пассивным относят элементы, в которых рассеивается и (или) накапливается энергия (резисторы, индуктивные катушки, конденсаторы, трансформаторы).
Реальные элементы цепи могут быть описаны алгебраическими или дифференциальными уравнениями, связывающими напряжения и токи на зажимах этих элементов. Такое описание может быть сделано с определенной степенью точности при идеализации физических процессов в элементах; второстепенные с определенной точки зрения процессы при этом не учитываются.
Если элемент цепи характеризуется линейными алгебраическими или дифференциальными уравнениями (при упомянутой ранее идеализации), то его называют линейным. Коэффициенты, связывающие напряжения и токи и их производные, представляют собой параметры элемента. Параметры линейного элемента могут быть постоянными (стационарный элемент) или могут изменяться в зависимости от времени по какому-либо закону (нестационарный, параметрический элемент).
Если элемент цепи описывается нелинейными алгебраическими или дифференциальными уравнениями, то он называется нелинейным. Нелинейные элементы могут быть также параметрическими.
Во многих случаях параметры элемента рассматриваются как сосредоточенные (элемент с сосредоточенными параметрами); при этом напряжения и токи на зажимах элемента не являются функциями пространственных координат, определяющих геометрические размеры элемента. Параметры элемента могут быть также распределенными (элемент с распределенными параметрами); такой элемент характеризуется уравнениями, в которых напряжения и токи зависят от пространственных координат. В качестве примеров элементов с распределенными параметрами можно назвать линии передачи энергии и информации, многослойные пленочные резистивно-емкостные микроструктуры.
Элементы электрической цепи могут удовлетворять или не удовлетворять принципу взаимности. Упрощенно принцип взаимности состоит в следующем: реакция цепи на участке 1 от возмущения на участке 2 равна реакции на участке 2 от такого же возмущения на участке 1. Математическая формулировка этого принципа и его иллюстрации даны ниже. В соответствии с этим различают взаимные и невзаимные элементы. Примеры взаимных элементов — резисторы, индуктивные катушки, конденсаторы, трансформаторы; к невзаимным элементам относятся электронные лампы, транзисторы и др.
Цепи, содержащие только линейные элементы, называют линейными цепями. Основное свойство таких цепей — применимость принципа наложения, заключающегося в том, что результирующая реакция линейной цепи на несколько приложенных одновременно возмущений равна сумме реакций, обусловленных каждым возмущением в отдельности.
Если цепь содержит один или несколько параметрических элементов, то ее называют параметрической (нестационарной).
Аналогично, если цепь содержит один или более нелинейных элементов, то ее называют нелинейной. Для нелинейной цепи в общем случае неприменим принцип наложения.
Цепь, содержащую элементы с сосредоточенными параметрами, называют цепью с сосредоточенны ми параметрами. Цепь, содержащую элементы с распределенными параметрами, называют цепью с распределенными параметрами.
Строго говоря, любая электрическая цепь представляет собой цепь с распределенными параметрами, зависящими от режима цепи, т.е, является нелинейной. Однако во многих случаях из-за большой скорости электромагнитных процессов изменения напряжений и токов, происшедшие на одном участке цепи, одновременно вызывают определенные изменения и на всех остальных участках цепи; зависимость параметров цепи от ее режима часто несущественна. Таким образом, во многих случаях реальные электрические цепи можно рассматривать как линейные цепи с сосредоточенными параметрами.
Цепи, содержащие только взаимные элементы, называют взаимными (цепи, состоящие из резисторов, конденсаторов, индуктивных катушек, трансформаторов и источников энергии). Если в цепи имеются невзаимные элементы, то цепь называют невзаимной (цепи с электронными лампами, транзисторами, операционными усилителями).
Можно говорить также об активных и пассивных цепях. Цепь считают активной, если по отношению к некоторым зажимам она является источником энергии. Такая цепь содержит активные элементы. В противном случае цепь называют пассивной.
Источник