Пассивные и активные элементы электрических цепей

Элементом электрической цепи называют идеализированное устройство, отображающее какое-либо из свойств реальной электрической цепи.

Пассивные элементы электрических цепей

Линейная индуктивность характеризуется линейной зависимостью между потокосцеплением ψ и током i, называемой вебер-амперной характеристикой ψ = Li. Напряжение и ток связаны соотношением u = d ψ/dt = L (di/dt)

Коэффициент пропорциональности L в формуле и называется индуктивностью и измеряется в генри (Гн).

Линейная емкость характеризуется линейной зависимостью между зарядом и напряжением, называемой кулон-вольтовой характеристикой q = Cu

Активные элементы электрических цепей

Источник тока – это идеализированный элемент электрической цепи, ток которого не зависит от напряжения на его зажимах.

Внутреннее сопротивление идеального источника тока равно бесконечности.

Различают четыре типа зависимых источников.

1. ИНУН – источник напряжения, управляемый напряжением: а) нелинейный, б) линейный, μ – коэффициент усиления напряжения

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Электронные компоненты

Электронные компоненты – это радиодетали, которые используются повсюду. Выпускаются новые устройства и вместе с ними расширяется разнообразие электронных составляющих. В последние годы за счет активного уменьшения энергопотребления начали чаще использоваться SMD-компоненты. Однако несмотря на это, в большинстве электронных устройств используются все те же конденсаторы, резисторы, диоды и транзисторы.

Электронные компоненты: что это такое

Электронные компоненты – технические изделия, обладающие регламентированными функциями. Они входят в состав радиотехнических или электронных устройств и отвечают за их работоспособность. Сегодня рынок радиодеталей стремительно развивается и каждый желающий может приобрести нужные электронные компоненты.

Такие технические изделия начали набирать популярность в начале прошлого столетия, когда радиопередающая техника бурно развивалась. Уже в те годы многие люди называли электронные компоненты радиодеталями. Появлению этого названия поспособствовало то, что в начале ХХ века первым сложным электронным устройством было радио. Сначала радиодеталями называли изделия для производства радиоприемников. Однако со временем так начали называть и другие компоненты, несвязанные с радио.

Пассивные электронные компоненты

Пассивные радиоэлементы – детали, параметры которых изменяются линейно. Они используются для перераспределения электроэнергии.

Резистор

Резистор – наиболее распространенный пассивный элемент, использующийся в электронике. Он нужен для деления напряжения, ограничения или измерения тока. В зависимости от конструкционных особенностей, резисторы делят на следующие группы:

Выбирая новый резистор, необходимо обращать внимание на его основные параметры:

Конденсатор

Конденсаторы – незаменимые пассивные радиокомпоненты, использующиеся в фильтрах питания и стабилизаторах. Основным предназначением конденсаторов можно считать передачу напряжения от лампового анода к управляющей сетке.

Конденсаторы отличаются друг от друга по материалу изготовления:

При выборе конденсатора обращают внимание на его основные технические характеристики:

Дроссель

Дроссели – электротехнические деталис малым сопротивлением. Используются такие радиоэлементы в цепях переменного, импульсивного и постоянного тока. Чаще всего дроссели устанавливаются в:

Трансформатор

Это электромагнитный компонент, который передает энергию при помощи магнитного поля. Состоит трансформатор из нескольких обмоток, расположенных на сердечнике. Количество обмоток напрямую зависит от числа фаз. Основная особенность трансформаторов заключается в том, что их первичная и вторичная цепи электрически не связаны между собой.

В электронике чаще всего используют следующие виды трансформаторов:

Активные электронные компоненты

Активные радиоэлементы – детали, которые изменяют свои параметры нелинейно. Их используют для преобразования и усиления поступающих электросигналов.

Диодный мост

Диодный мост – электронный компонент, использующийся в качестве выпрямителя переменного тока. Состоит мост из специальных выпрямительных диодов полупроводникового типа. Выделяют несколько разновидностей диодных мостов:

Стабилитрон

Этот компонент устанавливается в электрические цепи для стабилизации напряжения. В цепи стабилитрон подключается в обратном направлении. Когда входное напряжение превысит уровень стабилизации, начинается электрический пробой. Стабилитрон работает до тех пор, пока напряжение не начнет постепенно стабилизироваться и понижаться до номинала.

При проектировке и создании электрических цепей необходимо использовать подходящие стабилизаторы. Чтобы правильно подобрать стабилитрон, нужно обращать внимание на его технические характеристики:

Тиристор

Тиристор – полупроводниковый прибор, который способен проводить ток в обе стороны. Он используется для коммутации в сетях с переменным током и для регулировки высоковольтного питания. Тиристоры отличаются низкой стоимостью и простотой использования. Поэтому их очень часто устанавливают в бытовую технику. Найти тиристоры можно в:

Транзистор

Транзисторы – полупроводниковые элементы, использующиеся для уменьшения сопротивления. В современных чипах количество транзисторов достигает нескольких сотен.

Транзисторы можно поделить на три группы:

Все вышеперечисленные радиоэлементы активно используются в электронике и остаются востребованными даже сегодня. Заказать электронные компоненты от надежных производителей можно на официальном сайте компании Моском. Благодаря широкому спектру доступных на сайте товаров, каждый покупатель сможет найти радиодеталь, которая его интересует.

Источник

Пассивные и активные элементы

Элементы цепей подразделяются на активные и пассивные. Основной признак активного элемента – его способность отдавать электрическую энергию. Типичными примерами активных элементов являются источники электрической энергии, усилители электрических сигналов и генераторы.

К пассивным элементам относятся потребители и накопители электрической энергии. Пассивные элементы, как правило, двухполюсники (резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности), а также некоторые многополюсники, составленные из пассивных двухполюсников.

Базовые пассивные компоненты – резистор, конденсатор и индуктивность.

Они описываются следующими выражениями:

, , . (2.1)

Двухполюсники, для которых причинно-следственные связи определены уравнениями вида (2.1) называются линейными. Для них справедливы следующие соотношения:

Рис. 2.1. Характеристики линейных элементов.

Ряд двухполюсников обладает нелинейными характеристиками.

Рис. 2.2. Характеристики нелинейных элементов.

Параметры нелинейных элементов не постоянны и зависят от значений токов и напряжений, при которых работают эти элементы.

Примерами нелинейных элементов являются p-n переход (полупроводниковый диод), катушка индуктивности со стальным сердечником, варикап и другие.

Усилителем называют устройство позволяющее преобразовывать входной сигнал в сигнал большей мощности (тока, напряжения) без существенного искажения его формы. При усилении тока или напряжения одновременно происходит усиление мощности.

Эффект усиления возможен только при наличии источника управляемой энергии, преобразуемой усилителем в энергию усиливаемых сигналов. Таким источником является источник питания. Энергия источника питания преобразуется в энергию полезного сигнала при помощи усилителя. Исходя из вышесказанного, процесс усиления сигналов можно представить следующей структурной схемой.

Рис. 2.3. Структурная схема усилителя электрических сигналов.

Устройство, которое является потребителем, называется нагрузкой (Z_Н), а цепь усилителя, которой он подключается, называют выходной цепью (зажимы 3, 4). Потоком энергии от источника питания (Е_П) к нагрузке (Z_Н) управляет входной сигнал, представляемый входным напряжением. Это напряжение зависит от величины источника Э.Д.С. Е_ВХ, его внутреннего сопротивления R_ВН и входного сопротивления усилителя R_ВХ. Источник энергии сигнала, который необходимо усилить называют входным сигналом, а цепь усилителя, которой он подключается, называют входной цепью усилителя (зажимы 1,2). Часто зажимы 2 и 4 однопотенциальны и их называют общей шиной (массой) усилителя.

Сопротивление. Сопротивление в зависимости от напряжения или тока может определяться либо в статическом режиме , либо в режиме малых приращений сигнала (дифференциальное сопротивление) Эти соотношения действительны при одинаковых направлениях изменения тока и напряжения (рис. 2.1). При противоположных направлениях сопротивлению приписывается знак минус.

Наиболее распространенным примером реализации сопротивлений являются резисторы.

Последовательное и параллельное соединение резисторов. Из определения сопротивления следует несколько выводов.

Сопротивление двух последовательно соединенных резисторов равно (рис.2.4). При последовательном соединении резисторов всегда получается большее сопротивление, чем сопротивление отдельного резистора.

Рис.2.4. Последовательное соединение резисторов

Сопротивление двух параллельно соединенных резисторов (рис.2.5) равно: . При параллельном соединении резисторов всегда получается меньшее сопротивление, чем сопротивление отдельных резисторов.

Делители напряжения. На рис.2.6 представлена схема делителя напряжения, позволяющая получить на выходе напряжение, меньшее и пропорциональное входному. Такие схемы называются делителями напряжения или аттенюаторами.

Рис.2.5. Параллельное соединение резисторов

Выходное напряжение в данной схеме определяется следующим образом. Предположим, что нагрузки на выходе нет, ток определяется следующим образом: I = U_ВХ / (R₁ + R₂), тогда

Выходное напряжение всегда меньше входного, поэтому схема называется делителем напряжения. Делители напряжения часто используются в схемах для того, чтобы получить заданное напряжение из большего постоянного (или переменного) напряжения. Например, если в качестве R₁ и R₂ взять резистор с регулируемым сопротивлением (потенциометр) (рис.2.7), то получится схема с управляемым выходом.

Рис.2.6. Делитель напряжения

Рис.2.7. Регулируемый делитель напряжения

При расчете электрических схем наиболее часто используются три закона: закон Ома, первый и второй законы Кирхгофа.

Конденсаторы. Конденсатор – это элемент, в котором энергия электрического тока превращается в энергию электрического поля. Для обозначения конденсатора используется буква С. Конденсатор (рис.2.8) – это устройство, имеющее два вывода и обладающее следующим свойством:

. (2.4)

Рис.2.8. Условное графическое обозначение конденсатора

В первом приближении конденсаторы – это частотно-зависимые резисторы. Они позволяют создавать, например, частотно-зависимые делители напряжения. Для решения некоторых задач (шунтирование, связывание контуров) больших знаний о конденсаторе и не требуется, другие задачи (построение фильтров, резонансных схем, накопление энергии) требуют более глубоких знаний. Например, конденсаторы не рассеивают энергию, хотя через них и протекает ток. Это происходит потому, что ток и напряжение на конденсаторе смещены друг относительно друга по фазе на 90º.

(2.5)

Конденсатор является более сложным элементом, чем резистор; ток пропорционален не просто напряжению: а скорости изменения напряжения. Конденсатор не пропускает постоянный ток. Передача переменного сигнала через конденсатор состоит в периодическом заряде и разряде пластин конденсатора.

Если напряжение на конденсаторе, имеющем емкость 1Ф, изменится на 1В за 1с, то получим ток 1 А. И наоборот, протекание тока 1 А через конденсатор дает изменение напряжения на 1 В за 1 с. Емкость, равная одной фараде, очень велика, и поэтому чаще имеют дело с микро- (мкФ), нано- (нФ) или пикофарадами (пФ). Промышленность выпускает конденсаторы разнообразных форм и размеров. Простейший конденсатор состоит из двух проводников, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга (но не соприкасающихся между собой), настоящие простейшие конденсаторы имеют именно такую конструкцию. Чтобы получить большую емкость, нужны большая площадь и меньший зазор между проводниками, обычно для этого один из проводников покрывают тонким слоем изолирующего материала (называемого диэлектриком), для таких конденсаторов используют, например, покрытую алюминием пленку. Широкое распространение получили следующие типы конденсаторов: керамические, электролитические (изготовленные из металлической фольги с оксидной пленкой в качестве изолятора), слюдяные (изготовленные из металлизированной слюды). Каждому типу конденсаторов присущи свои качества. В общем можно сказать, что для некритичных схем подходят керамические конденсаторы, в схемах, где требуется большая емкость, применяются танталовые конденсаторы, а для фильтрации в источниках питания используют электролитические конденсаторы.

Параллельное и последовательное соединение конденсаторов. Емкость нескольких параллельно соединенных конденсаторов равна сумме их емкостей

Для последовательного соединения конденсаторов имеем то же выражение, как для параллельного соединения резисторов:

В частном случае для двух конденсаторов:

Индуктивности. Индуктивность – это элемент, в котором энергия электрического тока превращается в энергию магнитного поля. Для обозначения катушки индуктивности используется буква L.

Рис.2.9. Условное графическое обозначение индуктивности

Сравним индуктивность и конденсатор между собой: в индуктивности скорость изменения тока зависит от приложенного напряжения, а в конденсаторе скорость изменения напряжения зависит от протекающего тока. Уравнение индуктивности имеет следующий вид:

где L – индуктивность в генри (или мГн, мкГн и т.д.). Напряжение, приложенное к индуктивности, вызывает нарастание протекающего через нее тока, причем изменение тока происходит по линейному закону (если пропустить ток через конденсатор, то это приведет к нарастанию напряжения на нем, причем изменение напряжения будет происходить по линейному закону); напряжение величиной 1 В, приложенное к индуктивности 1 Гн. приводит к нарастанию тока через индуктивность со скоростью 1 А в 1 с. Ток, протекающий через индуктивность, также как и ток, протекающий через конденсатор, не просто пропорционален напряжению. Более того, в отличие от резистора мощность, связанная с током через индуктивность (произведение U на I), не преобразуется в тепло, а сохраняется в виде энергии магнитного поля индуктивности. Эту энергию можно извлечь, если прервать ток через индуктивность. Условно индуктивность изображают в виде нескольких витков провода. Такую конструкцию имеет простейшая индуктивность. Другие, более совершенные конструкции включают сердечник, на который наматывается провод. Материалом для сердечника чаще всего служит железо (пластинки, прокатанные из сплавов железа или изготовленные методами порошковой металлургии) или феррит, представляющий собой хрупкий непроводящий магнитный материал. Сердечник позволяет увеличить индуктивность катушки за счет магнитных свойств материала сердечника. Сердечник может быть изготовлен в виде бруска, тора или может иметь какую-нибудь более сложную форму.

Индуктивности находят наибольшее применение в радиочастотных схемах, где они используются в качестве радиочастотных дросселей, и в резонансных схемах. Две связанные индуктивности образуют трансформатор.

По сути дела индуктивность – это противоположность конденсатора. Последующие разделы этой главы, в которых вводится такое важное понятие, как полное сопротивление, или импенданс покажут, в чем эта противоположность проявляется

Трансформаторы. Трансформатор – это устройство, состоящее из двух связанных катушек индуктивности (называемых первичной и вторичной обмотками). Напряжение, снимаемое с вторичной обмотки, иное по сравнению с напряжением переменного тока, поданным на первичную обмотку, причем коэффициент изменения (трансформации) напряжения прямо пропорционален отношению числа витков обмоток трансформатора, а коэффициент изменения тока обратно пропорционален. Мощность сохраняется почти неизменной. На рис.2.10 показано условное обозначение трансформатора.

Трансформатор обладает весьма высоким коэффициентом полезного действия (мощность на его выходе почти равна мощности на входе), в связи с этим повышающий трансформатор обеспечивает рост напряжения при уменьшении тока. Если вторичная обмотка не нагружена, то в первичной протекает очень небольшой ток. Следует помнить, что, несмотря на то, что выходное напряжение для повышающего трансформатора больше, чем входное, трансформатор является пассивным элементом.

Рис.2.10. Условное графическое обозначение трансформатора

Выходное напряжение трансформатора определяется соотношением количества витков первичной и вторичной обмоток. Это соотношение называется коэффициентом трансформации и равно:

где W₂ и W₁ соответственно количество витков вторичной и первичной обмоток трансформатора.

В электронных приборах трансформаторы выполняют две важные функции: во-первых, они преобразуют напряжение переменного тока сети к нужному, обычно более низкому значению, которое можно использовать в схеме, и, во-вторых, они «изолируют» электронную схему от непосредственного контакта с силовой сетью, так как обмотки трансформатора электрически изолированы одна от другой. Выпускаемые промышленностью силовые трансформаторы, предназначенные для работы с напряжением силовых сетей, равным 220 или 380 В, обеспечивают разнообразные значения вторичных напряжений и токов: диапазон напряжений включает значения от 1 В до нескольких тысяч вольт, диапазон тока – от нескольких миллиампер до сотен ампер. Трансформаторы, используемые обычно в электронных приборах, обеспечивают диапазон вторичного напряжения от 10 до 50 В, диапазон тока – от 0,1 до 5 А.

Промышленность выпускает также трансформаторы, предназначенные для работы в диапазоне звуковых частот, иногда используют резонансные трансформаторы. Для сердечников высокочастотных трансформаторов используют специальные материалы или прибегают к специальным конструкциям для того, чтобы уменьшить потери энергии в сердечнике; что же касается сердечников низкочастотных (т. е. силовых) трансформаторов, то их делают тяжелыми или крупногабаритными. Трансформаторы для высоких и низких частот, как правило, не взаимозаменяемы.

Источники тока и напряжения. Идеальный источник напряжения – это блок, имеющий два вывода, между которыми он поддерживает постоянное напряжение независимо от величины сопротивления нагрузки (это означает, что он должен порождать ток, равный I = U/R, если к выводам подключить резистор с сопротивлением R). Реальный источник напряжения не может дать ток, больший некоторого предельного максимального значения, и в общем случае он ведет себя как идеальный источник напряжения, к которому последовательно подключен резистор с небольшим сопротивлением. Это сопротивление называется внутренним сопротивлением источника. Очевидно, чем меньше внутреннее сопротивление, тем лучше. По понятным причинам источник напряжения «предпочитает» нагрузку в виде разомкнутой цепи, а нагрузку в виде замкнутой цепи «недолюбливает». Условные графические обозначения источников напряжения показаны на рис.2.11, а.

Рис.2.11. Графическое изображение источников напряжения (а) и тока (б)

Для реального источника напряжения справедливо соотношение

Это соотношение поясняет эквивалентная схема, приведенная на рис.2.12.

У идеального источника напряжения R_I = 0, т. е. его выходное напряжение не зависит от тока.

Идеальный источник тока – это блок, имеющий два вывода и поддерживающий постоянный ток во внешней цепи независимо от величины сопротивления нагрузки и приложенного напряжения. Реальные источники тока имеют ограниченный диапазон и выходной ток нельзя считать абсолютно постоянным. Источник тока работает в режиме, близком к короткому замыканию. Графическое изображение источника тока приведено на рис.2.11, б.

Рис.2.12. Эквивалентная схема реального источника напряжения

Источник

Электрическая цепь и ее элементы

В электрической цепи должен быть источник движения электрически заряженных частиц, которое и называется электрическим током. Иными словами, электрический ток должен иметь своего возбудителя. Такой возбудитель тока, именуемый источником (генератором), является составным элементом электрической цепи.

Электрический ток может вызывать различные по характеру эффекты — так, он заставляет светиться лампочки накаливания, приводит в действие нагревательные приборы и электродвигатели. Все эти приборы и устройства принято называть приемниками электрического тока. Так как через них протекает ток, т. е. они включены в электрическую цепь, то приемники также являются элементами цепи.

Протекание тока требует, чтобы между источником и приемником существовала связь, которая и реализуется при помощи электрических проводов, представляющих со­ бой третий важный составной элемент электрической цепи.

Электрическая цепь делится на внутреннюю и внешнюю части. К внутренней части электрической цепи относится сам источник электрической энергии. Во внешнюю часть цепи входят соединительные провода, потребители, рубильники, выключатели, электроизмерительные приборы, т. е. все то, что присоединено к зажимам источника электрической энергии.

Электрический ток может протекать только по замкнутой электрической цепи. Разрыв цепи в любом месте вызывает прекращение электрического тока.

Под электрическими цепями постоянного тока в электротехнике подразумевают цепи, в которых ток не меняет своего направления, т. е. полярность источников ЭДС в которых постоянна.

Под электрическими цепями переменного тока имеют ввиду цепи, в которых протекает ток, который изменяется во времени (смотрите, переменный ток).

Электроприемниками постоянного тока являются электродвигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую, нагревательные и осветительные приборы, электролизные установки и др.

В качестве вспомогательного оборудования в электрическую цепь входят аппараты для включения и отключения (например, рубильники), приборы для измерения электрических величин (например, амперметры и вольтметры), аппараты защиты (например, плавкие предохранители).

Элементы электрической цепи делятся на активные и пассивные. К активным элементам электрической цепи относятся те, в которых индуцируется ЭДС (источники ЭДС, электродвигатели, аккумуляторы в процессе зарядки и т. п.). К пассивным элементам относятся электроприемники и соединительные провода.

Для условного изображения электрических цепей служат электрические схемы. На этих схемах источники, приемники, провода и все другие приборы и элементы электрической цепи обозначаются при помощи выполненных определенным образом условных знаков (графических обозначений).

Согласно ГОСТ 18311-80:

По топологическим особенностям электрические цепи подразделяют:

на простые (одноконтурные), двухузловые и сложные (многоконтурные, многоузловые, планарные (плоскостные) и объемные);

двухполюсные, имеющие два внешних вывода (двухполюсники и многополюсные, содержащие более двух внешних выводов (четырехполюсники, многополюсники).

Устройства, передающие энергию от источников к приемникам, являются четырехполюсниками, так как они должны обладать, по меньшей мере, четырьмя зажимами для передачи энергии от генератора к нагрузке. Простейшим устройством передачи энергии являются провода.

Активный и пассивный двухполюсники в электрической цепи

Обобщенная эквивалентная схема электрической цепи

Электрическая цепь, электрическое сопротивление хотя бы одного из участков которой зависит от значений или от направлений токов и напряжений в этом участке цепи, называется нелинейной электрической цепью. Такая цепь содержит хотя бы один нелинейный элемент.

При описании свойств электрических цепей устанавливается связь между величинами электродвижущей силы (ЭДС), напряжений и токов в цепи с величинами сопротивлений, индуктивностей, емкостей и способом построения цепи.

При анализе электрических схем пользуются следующими топологическими параметрами схем:

Старый учебный диафильм. Одна из 7 частей старого учебного диафильма «Электротехника с основами электроники», выпущенного в 1973 году фабрикой учебно-наглядных пособий:

Источник