скачать книгу бесплатно
Электроника и электротехника. Шпаргалка
Юлия Валериевна Щербакова
Все выучить – жизни не хватит, а экзамен сдать надо. Это готовая «шпора», написанная реальным преподом. Здесь найдешь все необходимое по «Общей электронике и электротехнике», а остальное – дело техники. Ни пуха, ни пера!
Данное учебное пособие предназначено для студентов высших и средних специальных учебных заведений, изучающих электронику и электротехнику.
Юлия Валериевна Щербакова
Электроника и электротехника. Шпаргалка
1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ. ПОНЯТИЕ О ДВУХПОЛЮСНИКАХ.СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ
При анализе электрических цепей важно знать только параметры и способ соединения друг с другом. Активные элементы будем обозначать в основном кружочками со стрелками внутри, указывающими направление ЭДС (рис. 1); для батареи из гальванических элементов используем обозначение, приведенное на рис. 1б.
В сопротивлениях различных элементов электрических цепей происходит процесс преобразования электрической энергии в теплоту. Такие элементы называются резистивными и обозначаются прямоугольниками (см. рис. 1)
Рис. 1. Примеры схем электрических цепей
Электрические цепи постоянного тока (как и переменного) и, соответственно, их электрические схемы бывают весьма разнообразными. Так, встречаются электрические цепи неразветвленные (рис. 1а и 1б) и разветвленные (рис. 1в), с одним активным элементом (рис. 1а), с двумя (рис.1б) или с большим количеством активных элементов, линейные и нелинейные.
Линейной называется электрическая цепь, параметры которой не зависят от напряжений или токов в цепи. Если параметр хотя бы одного из элементов не остается постоянным при изменении напряжений или токов в цепи, то данный элемент и вся электрическая цепь называются нелинейными.
Часть электрической цепи, имеющая два вывода, с помощью которых она соединяется с другой частью цепи, называется двухполюсником. Различают пассивные и активные двухполюсники.
Пассивные двухполюсники содержат только пассивные элементы, активные – как пассивные, так и активные элементы. Например, справа от точек a и b на рисунке 1в расположена схема пассивного двухполюсника, соединенного с активным двухполюсником, схема которого дана слева от указанных точек. Справа и слева от точек c и d на рисунке 1 расположены схемы двух активных двухполюсников, а между этими точками – пассивный двухполюсник.
Токоведущие части различных элементов электрических цепей изготовляются из проводниковых материалов, которые бывают твердыми, жидкими и газообразными. Основными проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы.
Если проводник имеет одну и ту же площадь поперечного сечения по всей длине, то его сопротивление равно:
где l – длина проводника, м;
S – площадь поперечного сечения проводника, м
;
r – удельное сопротивление материала проводника, Ом/м.
Сопротивление металлических проводников при повышении температуры возрастает. Зависимость сопротивления от температуры выражается следующей формулой:
r
= r
[1 + ?(t
– t
)],
где t
и t
– начальная и конечная температуры, °С;
r
и r
– сопротивления при температурах t
и t
, Ом;
? – температурный коэффициент сопротивления, °С
.
Сведения об удельных сопротивлениях и температурных коэффициентах проводниковых материалов приводятся в справочной литературе.
2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЗАКОНОВ ОМА И КИРХГОФА ПРИ РАСЧЕТЕ И АНАЛИЗЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
Согласно закону Ома в замкнутой неразветвленной электрической цепи (рис. 2):
Рис. 2. Незамкнутая электрическая сеть
А в любом пассивном элементе цепи, например с сопротивлением r
,
Выражение (1) справедливо при совпадающих направлениях ЭДС Е и тока I, а выражение (2) – при совпадающих направлениях напряжения U и тока I, что и следует учитывать при нанесении на схеме стрелок, указывающих положительные направления в случае использования закона Ома.
Согласно первому закону Кирхгофа алгебраическая сумма токов ветвей, соединенных в любой узловой точке электрической цепи, равна нулю, т. е.
Со знаком «+» в уравнение следует включать токи, положительные направления которых обращены к узлу, со знаком «–» – токи, положительные направления которых обращены от узла (можно и наоборот).
Согласно второму закону Кирхгофа в любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме напряжений на всех резистивных элементах контура, т. е.
Часто в электрических цепях встречаются элементы, между выводами которых имеются те или иные напряжения U (например, напряжение сети, напряжение, снимаемое с делителя напряжения, и т. д.).
Учитывая это, вместо (4) удобнее использовать следующую форму записи второго закона Кирхгофа:
При этом ЭДС, напряжения и токи, положительные направления которых совпадают с направлением обхода контура при составлении уравнения (5), следует включать в уравнение со знаком «+», а те, положительные направления которых не совпадают с направлением обхода контура, со знаком «–» (можно и наоборот).
При составлении уравнений по второму закону Кирхгофа следует включать в них либо ЭДС и падение напряжения во внутренних сопротивлениях активных элементов, либо только их напряжения.
3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ С ОДНИМ ИСТОЧНИКОМ ЭНЕРГИИ И ПАССИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ. ПРОСТЕЙШАЯ ЦЕПЬ С ОДНИМ ПРИЕМНИКОМ
Рассмотрим простейшую неразветвленную электрическую цепь (рис. 3). В этой цепи участок amb представляет собой простейший пассивный двухполюсник, являющийся приемником электрической энергии, участок anb – простейший активный двухполюсник, являющийся источником.
Рис. 3. Схема простейшей электрической цепи
Для рассматриваемой электрической цепи по второму закону Кирхгофа можно написать:
Из приведенных уравнений нетрудно получить формулу для определения тока и соотношение между напряжением и ЭДС источника:
где rМ = r
+ r – эквивалентное сопротивление цепи.
При неизменных значениях ЭДС Е и внутреннего сопротивления r
ток в цепи зависит от сопротивления r приемника. Напряжение источника U (равное в данной цепи напряжению приемника) меньше его ЭДС на падение напряжения Ir
во внутреннем сопротивлении источника.
Если умножить (1) и (4) на ток, получим соотношения между мощностями:
EI = I
r
+ I
r; (5)
UI = EI – I
r
. (6)
Правая часть (5) содержит потери мощности во внутреннем сопротивлении I
r
и мощность, потребляемую приемником I
r. Произведение EI представляет собой мощность, вырабатываемую источником, т. е. электрическую мощность, преобразуемую им из другого вида мощности; например, если это генератор, – из механической мощности.
Если из вырабатываемой мощности вычесть потери мощности во внутреннем сопротивлении источника I
r
, получим мощность UI, отдаваемую источником во внешнюю цепь. Мощность, отдаваемая источником в данной цепи, равна мощности, потребляемой приемником, UI = I
r. В связи с выражениями (5) и (6), а также схемой на рисунке 3 можно сделать вывод: вырабатываемая источником мощность определяется произведением тока на ЭДС, совпадающую по направлению с током, отдаваемая им мощность – произведением тока на напряжение, направленное внутри источника против тока; мощность, потребляемая приемником, определяется произведением тока на напряжение, совпадающее по направлению с током. Такие взаимные направления тока и ЭДС, а также тока и напряжения характерны для источников и приемников и в других электрических цепях. Учитывая это, выражения мощностей, вырабатываемых и отдаваемых источниками, а также потребляемых приемниками, могут быть записаны следующим образом:
Отношение мощности, отдаваемой источником, к вырабатываемой им мощности представляет собой КПД источника:
4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ СОЕДИНЕНИЕМ РЕЗИСТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Последовательным называется такое соединение элементов, когда условный конец первого элемента соединяется с началом второго, конец второго – с началом третьего и т. д. Характерным для последовательного соединения является один и тот же ток во всех элементах.
Рис. 4. Схема электрических цепей с последовательным соединением резистивных элементов
Пример: последовательно с приемником r часто включается резистор rр для регулирования напряжения, тока и мощности приемника (рис. 4а). Для расширения пределов измерения вольтметров последовательно с ними включают добавочные резисторы rд (рис. 4б). С помощью реостата, включаемого последовательно в различные ветви цепи двигателя постоянного тока, производят изменение его пускового тока или частоты вращения.
В общем случае при последовательном соединении n резистивных элементов (рис. 4в) ток в цепи, напряжения на элементах и потребляемые ими мощности определяются следующими соотношениями:
где k = 1, 2, ..., n – номер элемента;
– эквивалентное сопротивление цепи.
Напряжение и мощность всей цепи:
Соотношение между напряжениями, мощностями и сопротивлениями элементов:
где l = 1, 2, ..., n – номер элемента.
Приемники электрической энергии последовательно, как правило, не соединяются, так как при этом требуется согласование номинальных данных приемников, исключается возможность независимого их включения и отключения, а при выходе из строя одного из приемников отключаются также остальные приемники. Чаще их включают параллельно.
5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ СОЕДИНЕНИЕМ РЕЗИСТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Параллельным называется такое соединение резистивных элементов, при котором соединяются между собой как условные начала всех элементов, так и их концы (рис. 5а). Характерным для параллельного соединения является одно и то же напряжение U на выводах всех элементов. Параллельно соединяются различные приемники электрической энергии и другие элементы электрических цепей, рассчитанные на одно и то же напряжение. При параллельном соединении не требуется согласовывать номинальные данные приемников, возможно включение и отключение любых приемников независимо от остальных, а при выходе из строя какого(либо приемника остальные остаются включенными.
Рис. 5. Схемы электрических цепей с параллельным соединением резистивных элементов
Параллельное соединение применяется часто для расширения пределов измерения амперметров (рис. 5б): если ток I в электрической цепи превышает номинальный ток Iном амперметра, параллельно с ним включают шунтирующий резистор rш. Нередко параллельное соединение используют для уменьшения эквивалентного сопротивления какого-либо участка электрической цепи.
Токи и мощности параллельно соединенных ветвей (рис. 5а) при U = const не зависят друг от друга и определяются по формулам:
Ток и мощность всей цепи:
где
– эквивалентная проводимость;
rэ = 1 / gэ – эквивалентное сопротивление.
Соотношения между токами, мощностями, проводимостями и сопротивлениями:
При увеличении числа параллельно соединенных ветвей эквивалентная проводимость электрической цепи возрастает, а эквивалентное сопротивление, соответственно, уменьшается. Это приводит к увеличению тока I. Если напряжение остается постоянным, то увеличивается также общая мощность P; токи и мощности ранее включенных ветвей не изменяются.
6. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ,СОДЕРЖАЩИЕ СОЕДИНЕНИЯ РЕЗИСТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРЕУГОЛЬНИКОМ
Под соединением треугольником (рис. 6а) понимается такое, при котором вывод К1 одного из элементов соединяется с выводом Н2 второго, вывод К2 второго – с выводом Н3 третьего, а вывод К3 третьего – с выводом Н1 первого элемента. Узловые точки a, b и c подключаются к остальной части электрической цепи.
