электрическую цепь

Дисциплина: « Электротехника и электроника»
Специальность: 270103.51 (270103)
Лекция № 3
Тема: «Элементы электрических цепей»
1. Электрическая цепь и ее элементы.
2. Резистивный элемент (резистор).
3. Закон Ома
Время: 2 часа.
2 курс. 3 семестр.
Ставрополь, 2011 год
Лекция 3
1.
Элементы электрических цепей
Электрическая цепь и ее элементы.
Электромагнитные
процессы,
протекающие
в
электротехнических
устройствах, как правило, достаточно сложны. Однако во многих случаях, их
основные характеристики можно описать с помощью таких интегральных
понятий, как: напряжение, ток, электродвижущая сила (ЭДС).
Определение 1
Совокупность
электротехнических
соответствующим
электрической
образом
энергии,
устройств,
соединенных
предназначенных
состоящую
источников
для
и
из
приемников
генерации,
передачи,
распределения и преобразования электрической энергии и (или) информации,
рассматривают как электрическую цепь.
Электрическая цепь состоит из отдельных частей (объектов), выполняющих
определенные функции и называемых элементами цепи. Основными
элементами цепи являются источники и приемники электрической энергии
(сигналов). Электротехнические устройства, производящие электрическую
энергию, называются генераторами или источниками электрической
энергии, а устройства, потребляющие ее – приемниками (потребителями)
электрической энергии.
У каждого элемента цепи можно выделить определенное число зажимов
(полюсов), с помощью которых он соединяется с другими элементами.
Различают двух –и многополюсные элементы.
Двухполюсники имеют два зажима. К ним относятся источники энергии (за
исключением
управляемых
индуктивности, конденсаторы.
и
многофазных),
резисторы,
катушки
Многополюсные элементы – это, например, триоды, трансформаторы,
усилители и т.д.
Все элементы электрической цепи условно можно разделить на :
1. активные и 2. пассивные.
Определение 2 Активным называется элемент, содержащий в своей
структуре источник электрической энергии.
Определение 3 К пассивным относятся элементы, в которых рассеивается
(резисторы) или накапливается (катушка индуктивности и конденсаторы)
энергия.
Для оценки работоспособности элементов необходимы характеристики:
К основным характеристикам элементов цепи относятся их вольт-амперные,
вебер-амперные
и
кулон-вольтные
характеристики,
описываемые
дифференциальными или (и) алгебраическими уравнениями. Если элементы
описываются
линейными
дифференциальными
или
алгебраическими
уравнениями, то они называются линейными, в противном случае они
относятся к классу нелинейных.
Строго говоря, все элементы являются нелинейными. Возможность
рассмотрения их как линейных, что существенно упрощает математическое
описание
и
анализ
процессов,
определяется
границами
изменения
характеризующих их переменных и их частот.
Определение 4 Коэффициенты, связывающие переменные, их производные
и интегралы в этих уравнениях, называются параметрами элемента.
Если параметры элемента не являются функциями пространственных
координат, определяющих его геометрические размеры, то он называется
элементом с сосредоточенными параметрами. Если элемент описывается
уравнениями, в которые входят пространственные переменные, то он
относится
к
классу
элементов
с
распределенными
параметрами.
Классическим примером последних является линия передачи электроэнергии
(длинная линия).
Определение 5 Цепи, содержащие только линейные элементы, называются
линейными. Наличие в схеме хотя бы одного нелинейного элемента относит
ее к классу нелинейных.
Рассмотрим пассивные элементы цепи, их основные характеристики и
параметры.
2 Резистивный элемент (резистор)
Условное графическое изображение резистора приведено на рис. 1,а.
Резистор – это пассивный элемент, характеризующийся резистивным
сопротивлением. Последнее определяется геометрическими размерами тела и
свойствами материала: удельным сопротивлением р
величиной – удельной проводимостью
В простейшем случае проводника длиной
определяется выражением
) или обратной
(См/м).
и сечением S его сопротивление
.
В общем случае определение
сопротивления связано с
расчетом поля в проводящей
среде, разделяющей два
электрода.
Основной характеристикой
резистивного элемента является
зависимость
(или
),
называемая вольт-амперной
характеристикой (ВАХ).
Если зависимость
представляет собой прямую линию, проходящую через
начало координат (см.рис. 1,б), то резистор называется линейным и
описывается соотношением
или
,
где
- проводимость. При этом R=const.
Нелинейный резистивный элемент, ВАХ которого нелинейна (рис. 1,б), как
будет показано в блоке лекций, посвященных нелинейным цепям,
характеризуется несколькими параметрами. В частности безынерционному
резистору ставятся в
соответствие статическое
и дифференциальное
сопротивления.
Раз уж мы договорились, что резисторы служат своеобразными тормозами
для электронов, то теперь следует понять, насколько же сильно нужно
вдавить педаль в пол, что-бы получить требуемый поток электронов. Причем
такой контроль может включать в себя и изменение сопротивления резистора
"на ходу".
Все знают, что сопротивление измеряется в омах, и на схемах часто
обозначается прописной греческой буквой омега -
. Чем выше значение
сопротивления в омах, тем больше резистор тормозит ток, протекающий
через него.
Чтобы понять, как можно изменить сопротивление проводника, полезно
будет узнать, что существует два основных типа резисторов: постоянные и
переменные. Вот чем они отличаются.
Постоянный резистор обеспечивает некоторое постоянно
заданное сопротивление току. Значение сопротивления можно
расшифровать
по
цветовой
маркировке
на
корпусе
резистора.
Зашифрованный код начинается ближе к одному из краев резистора и может
состоять из четырех, пяти и иногда шести полосок разного цвета. Порядок
полосок и разрядов, обозначаемых ими, приведены на рис. 2.
Рис. 2. На постоянных резисторах для характеристики значений сопротивления
используются цветные полоски
Переменный резистор, или потенциометр, позволяет "на
ходу" плавно изменять сопротивление от практически нулевого до
некоторого
жестко
заданного
фиксированного
значения.
Обычно
максимальное значение сопротивления потенциометра обозначается на его
корпусе.
Как мы уже выяснили, абсолютное большинство выводных резисторов имеет
цветовую маркировку, однозначно определяющую их сопротивление в омах.
Цветовой код представляет собой стандарт, принятый во всем мире и
используемый вот уже на протяжении десятилетий. Однако, хотя цвета
полосок и отвечают требованиям этого стандарта, самих полосок может быть
четыре или пять в зависимости от точности номинала данного элемента.
Резисторы стандартной точности имеют на боку всего четыре полоски.
Допуск номинала таких резисторов составляет не менее 2 процентов
обозначенного на нем номинала. То есть номинальное и реальное значения
сопротивлений стандартного резистора могут отличаться не более чем на 2
процента. В 99 процентах радиолюбительских проектов такой точности
оказывается вполне достаточно. Однако есть еще и высокоточные резисторы;
они имеют 5 полосок, и их допуск сопротивления — не более 1 процента от
номинала. Ну, а теперь пришло время узнать, что собой представляют
полоски на резисторах стандартной точности.
Первая, вторая и третья полоски, считая от ближайшего к маркировке
края, обозначают непосредственно номинал резистора.
Четвертая полоска указывает точность допуска сопротивления резистора
и обычно для стандартного резистора обозначает 5 или 10 процентов от
номинала из ряда сопротивлений.
В таблице 1 расшифровываются коды, обозначаемые цветовыми полосками
на резисторах, таким образом по прочтении этой таблицы вы сможете
самостоятельно расшифровывать номинал резистора по его маркировке.
Предположим, что некий резистор имеет четыре полоски: желтую,
фиолетовую, красную и серебряную. Две первые полоски обозначают два
первых разряда значения сопротивления резистора.
Согласно таблице 1 желтая полоска обозначает цифру 4, а фиолетовая — 7,
т.е. две первые полоски дают нам значение 47. Третья же показывает
множитель, и в данном случае она имеет красный цвет, т.е. множитель
равняется 100. Умножив 47 на 100, получаем значение сопротивления
данного резистора 4700 Ом или, выразив сопротивление через килоомы, 4,7
кОм. Обратите внимание на то, что некоторые цвета используются для
обозначения только строго определенных полосок, обозначающих допуски,
поэтому числовое значение для них не указывается. Можно еще
воспользоваться программой для определения номинала резистора по
цветным полосам, нанесенным на него, либо калькулятором расположенным,
ниже на этой странице.
Таблица
1 Цветовая маркировка сопротивлений
1-й разряд 2-й разряд Множитель Допуск, %
Цвет
0
0
1
Черный
1
10
+1
Коричневый 1
2
2
100
±2
Красный
3
1 ООО
Оранжевый 3
4
4
10 000
Желтый
5
5
100 000
±0,5
Зеленый
6
6
1 000 000 ±0,25
Голубой
7
10 000 000 ±0,1
Фиолетовый 7
8
8
100 000 000
Серый
9
9
Белый
0,1
+5
Золотой
0,01
+10
Серебряный
Примечание.
'
Не
всегда
на
высокоточных
резисторах
пишется
номинал
сопротивления. Зато всегда — на резисторах, предназначенных для
поверхностного монтажа, — так называемых SMD-резисторах (от англ.
Surface Mount Device — устройство поверхностного монтажа). SMDэлементы
представляют
собой
миниатюрные
радиоэлементы,
предназначенные для машинной пайки и использования в компактных
электронных приборах и устройствах.
Движение электронов через проводник всегда вызывает нагрев последнего.
Чем больше электронов движется по проводнику, тем сильнее он будет
разогреваться. По этой простой причине резисторы также маркируют
согласно мощности, которую они могут выдерживать.
Мощность измеряется в ваттах — чем больше ватт будет выделяться на
резисторе, тем больше он будет нагреваться. В принципе, электронные
компоненты могут выдерживать довольно значительный нагрев (сколько
именно — зависит от размеров и типа конкретного радиоэлемента) до того,
как они превратятся в щепотку золы. Рейтинг мощности как раз и указывает,
какая мощность может выделиться в данном резисторе без опасности выхода
его из строя. Она рассчитывается по простой формуле:
Р=UхI
где Р — мощность в ваттах, I — ток, протекающий через резистор, в амперах,
a U — напряжение на выводах резистора. Предположим, к примеру, что к
резистору приложено напряжение 5 Вольт, и через него протекает ток 25 мА.
Рассчитаем выделяемую на нем мощность, перемножив эти величины.
Получим 0,125, или 1/8 Вт.
В отличие от сопротивления, мощность резисторов редко указывается на
корпусе в том или ином виде. Ее можно или просто прикинуть, исходя из
размеров радиоэлемента или, если известно, где он был куплен, уточнить у
производителя или продавца. В схемах со значительной токовой нагрузкой,
таких как управление двигателями или лампами, как правило, используются
более мощные резисторы, чем в слаботочных схемах. Большинство
резисторов,
используемых
в
радиолюбительской
электронике
имеют
допустимую мощность рассеяния 1/4 или 1/8 Вт.
Высокомощные резисторы имеют различные формы; некоторые показаны на
рисунке 3.
Рисунок 3 Высокомощные резисторы
Резисторы, имеющие допустимую мощность более 5 Вт, обычно покрыты
эпоксидной смолой или другим влагонепроницаемым и огнеустойчивым
покрытием и имеют форму параллелепипеда, а не цилиндра. Резисторы очень
большой мощности могут даже иметь собственный теплоотвод, пластины
которого служат для рассеяния избыточной мощности.
Переменные резисторы, известные также под названием потенциометры (на
радиолюбительском
жаргоне
их
еще
часто
называют
просто
"переменниками") позволяют подбирать любое значение сопротивления.
Максимальный
предел
сопротивления
обычно
определяет
диапазон
возможных значений. Большинство потенциометров маркируются верхним
значением: 10 К, 50 К, 100 К, 1 М и т.д. Таким образом, к примеру, с
помощью потенциометра на 50 кОм можно установить любое сопротивление
между 0 и 50000 Ом. Помните, однако, что сопротивление потенциометра —
величина очень приближенная. Если на переменном резисторе отсутствует
маркировка, то всегда можно измерить его сопротивление при помощи
мультиметра.
Практически все потенциометры имеют крутящийся лимб, которым и
устанавливается требуемое сопротивление, хотя иногда встречаются и
ползунки (чаще на аудиоустройствах). Потенциометры с вращающимся
диском достаточно удобны, чтобы их можно было смело рекомендовать для
использования в радиолюбительской электронике.
В таких потенциометрах диск вращается почти на 360 градусов, хотя
последнее зависит, скорее, от типа переменного резистора. На минимуме
потенциометр имеет нулевое сопротивление, на максимуме — предельное.
Регулятор громкости на вашем старом телевизоре или терморегулятор на
грелке также представляют собой дисковые потенциометры, если вы не
знали.
3 Закон Ома
Итак, давайте предположим, что вы собрали свою первую схему. Вы знаете
величину тока, которую компонент схемы может выдержать, не выходя из
строя, и напряжение, выдаваемое источником питания. Следовательно, вам
нужно рассчитать сопротивление, которое не позволит току в цепи
превысить пороговое значение.
В начале 1800-х годов Георг Ом опубликовал уравнение, названное
впоследствии законом Ома, которое позволяет выполнить такой расчет.
Закон
Ома
гласит:
напряжение
равняется
произведению
тока
на
сопротивление, или (в стандартной математической записи):
U = I*R.
Возьмем батарейки, резистор, светодиод и кусочки проводов и соберем их
вместе — и вот перед вами простая электронная схема. Вот что представляет
собой схема: провода, соединяющие компоненты таким образом, что через
них ток течет и возвращается обратно к источнику питания.
На рисунке. 4 показана простейшая схема. Части схемы (также называемые
компонентами) размещены на так называемой макетной плате и соединены
между собой при помощи проводов. Принцип работы макетной платы,
вкратце, таков: на ней есть отверстия, в которые удобно вставлять
электронные компоненты для построения простых схем. Если вы останетесь
удовлетворены результатом своей работы, то затем сможете перенести схему
на печатную плату.
На рисунке 4 показаны провода, присоединенные к обоим выводам батареи.
Такое подключение позволяет току вытекать из батареи, проходить через
светодиод и другие компоненты (в данном случае — резистор) и
возвращаться в батарею, замыкая, таким образом, цепь с током. Схему
можно довести до логического конца, присоединив ее к металлическому
шасси, например к металлическому корпусу магнитофона.
Такое
соединение
называется
заземлением
или,
просто,
землей
и
используется в качестве опорной точки для всех напряжений схемы.
Заземление может как присоединяться к настоящей земле, так и быть
отделено от нее, но в любом случае его потенциал служит точкой, от которой
отсчитываются величины всех напряжений схемы.
Реальную схему можно представить в виде схемы принципиальной.
Принципиальная схема представляет собой чертеж, на котором показано, как
соединены между собой компоненты. Посмотрите на принципиальную
схему, изображенную на рисунке 5 и соответствующую той поделке,
которую мы собрали ранее на рисунке 4.
Рисунок 5 – Принципиальная схема
Источник напряжения.
Сопротивление
Лекция закончена, вопросы.
Задание:
1. Электрическая цепь и ее элементы.
2. Резистивный элемент (резистор).
3. Маркировка резисторов.
4. Мощность.
5. Закон Ома.
Индикатор
Литература
1. Теоретические основы электротехники. Т.1. Основы теории линейных
цепей./Под ред. П.А.Ионкина. Учебник для электротехн. вузов. Изд.2-е ,
перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1976.-544с.
2. Матханов Х.Н. Основы анализа электрических цепей. Линейные цепи.:
Учеб. для электротехн. и радиотехн. спец. 3-е изд. переработ. и доп. –М.:
Высш. шк., 1990. –400с.
3. Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин,
А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. 528с.
Лекция подготовлена на кафедре
Среднего профессионального образования;