Елементи електричних кіл можуть бути лінійними та нелінійними, зосередженими і
 Скачать 40.81 Mb.
|
|
1,3,9,7. Електричне коло — це сукупність з'єднаних між собою елементів, що забезпечує проходження електричних струмів від джерел до споживачів. В електричному колі кожен елемент або їх сукупність виконує певну функцію. Одні з них (мікрофони, фотодіоди, генератори) є джерелами електричних сигналів, інші їх підсилюють, перетворюють, селектують, нарешті, є й такі, що виконують функції кінцевих пристроїв (гучномовці, дисплеї, принтери, світлодіоди), в яких електричний сигнал перетворюється на зручну для використання споживачем форму. Параметрами називають номінальні величини, що визначають умови експлуатації та основні властивості деталі. елементами електричних кіл: електропровідністю g , ємністю C , індуктивністю L та джерелами струму Г або напруги Г E Елементи електричних кіл можуть бути лінійними та нелінійними, зосередженими і розосередженими. Лінійними називають елементи, вплив яких на сигнали описується лінійними диференціальними рівняннями зі сталими коефіцієнтами. Фізичний зміст цього полягає в тому, що параметри лінійного елемента не залежать від напруги та часу. Для їх аналізу застосовують закон Ома і принцип суперпозиції. До лінійних будемо також відносити лінійно-параметричні елементи, параметри яких залежать від зовнішньої дії (наприклад, мікрофон, провідність якого залежить від звукового тиску на мембрану. У нелінійних елементах залежність між струмом і напругою не підпорядкована закону Ома, їхні властивості відображують за допомогою нелінійних вольт-амперних характеристик (ВАХ). Типовими прикладами таких елементів є напівпровідникові прилади. В деяких випадках при обмежених амплітудах сигналів нелінійні елементи умовно розглядають як лінійні, тоді їхні властивості описують малосигнальними параметрами. У схемах радіоелектроніки іноді використовують параметричні елементи, властивості яких залежать від зовнішньої дії. До них належать варикапи, терморезистори. Линейными называются цепи, воздействие которых на проходящие через них сигналы описывается линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами. Физический смысл этого определения состоит в том, что параметры линейной цепи не зависят от положенного напряжения и времени. Когда реакция цепи на сумму воздействий равна сумме реакций на каждое отдельное воздействие, цепь линейна. Електричне коло — це сукупність з'єднаних між собою елементів, що забезпечує проходження електричних струмів від джерел до споживачів. В електричному колі кожен елемент або їх сукупність виконує певну функцію. Электрическая цепь состоит из источника электрической энергии, потребителей и соединительных проводов, соединяющих источник электрической энергии с потребителем. Пассивными называют элементы электрической цепи, которые не могут увеличивать энергию действующего вцепи сигнала. К пассивным элементам относятся резисторы, конденсаторы, котушки индуктивности и соединительные провода. Лінійними елементами електричного кола називають такі, для яких існує пропорційність між падінням напруги та силою струму. До лінійних елементів належать резистори, конденсатори та котушки індуктивності. Для нелінійних елементів залежність між силою струму та падінням напруги, яку називають вольт-амперною характеристикою, — складна функція. До нелінійних елементів належать, наприклад, діоди й транзистори. Для розрахунку електричних кіл з лінійними елементами використовуються правила Кірхгофа та закон Ома. Потенціальна діаграма показує як змінюється потенціал вздовж кола і є графічною ілюстрацією другого закону Кірхгофа. На ній по осі ординат відкладаються потенціали точок контура, а по осі абсцис – опори контура. Лінійні електричні кола розраховуються за допомогою законів Кірхгофа: I закон - сума струмів, що притікають до вузла, дорівнює сумі струмів, що витікають із вузла, (3.1) II закон - алгебраїчна ума ЕРС у замкнутому контурі дорівнює алгебраїчній сумі спадів напруг на елементах контуру (3.2) Знак ЕРС залежить від напрямку струму в джерелі і напрямку обходу контуру. Знак спаду напруги також визначається напрямком струму в елементі кола й напрямком обходу контуру. Метод безпосереднього використання законів Кірхгофа Даний метод доцільний у таких випадках: - якщо відома величина частини струмів, але невідомі величини такої ж кількості джерел або елементів кола - для визначення спаду напруги між якими-небудь двома точками електричного кола - для перевірення правильності розрахунків, проведених будь-яким іншим методом. Розрахунок розгалуженого кола за законами Кірхгофа полягає у визначенні сили струмів у всіх гілках кола. Порядок розрахунку: а) довільно вибирають напрямки невідомих струмів; б) довільно вибирають напрямки обходу контурів. Контури вибирають так, щоб наступний контур містив мінімум одну гілку, що не входила ні в один із уже обраних контурів. Число рівнянь повинно дорівнювати числу невідомих струмів p, де p - кількість гілок. Спочатку за I законом складають ( q -1) р.івнянь, де q - кількість вузлів, а потім за ІІ законом ( p - q +1) відсутніх рівнянь. Метод еквівалентних структурних перетворень В основі різних методів перетворення електричних схем лежить поняття еквівалентності, відповідно до якого напруги і струми в гілках схеми, яких не торкнулися перетворення, залишаються незмінними. Перетворення електричних схем застосовуються для спрощення розрахунків. Розглянемо найбільш типові методи перетворення. Послідовне з’єднання опорів При послідовному з’єднанні елементів через них протікає той самий струм I. Відповідно до другого закону Кірхгофа, напруга, прикладена до всього кола де k - кількість елементів. Для послідовно з’єднаних опорів r1, r2 , ... rn , з врахуванням (3.3) будемо мати Струм у колі з послідовним з’єднанням елементів дорівнює: а напруга на ому елементі дорівнює Послідовне з’єднання джерел напруги При послідовному з’єднанні джерел напруги вони заміняються одним еквівалентним джерелом з напругою Uекв, рівною алгебраїчній сумі напруг окремих джерел. Паралельне з’єднання елементів З’єднання груп елементів, при якому всі елементи перебувають під тою самою напругою, називається паралельним. Відповідно до першого законуКірхгофа, струм всього кола I дорівнює алгебраїчній сумі струмів упаралельних гілках, тобто На підставі цього рівняння для паралельного з’єднання резистивних елементів одержуємо: Струми паралельно з’єднаних гілок при U = const не залежать один від одного і визначаються за формулою При збільшенні числа паралельних гілок еквівалентна провідність електричного кола зростає, а еквівалентний опір відповідно зменшується. Це приводить до збільшення струму I. Якщо напруга залишається постійною, то збільшується також загальна потужність Р. Струми і потужності попередніх гілок не змінюються. Метод контурних струмів Даний метод дає можливість спростити розрахунок електричних кіл у порівнянні з методом розрахунку за законами Кірхгофа за рахунок зменшення числа рівнянь, які доводиться вирішувати спільно. Цей метод полягає в тому, що на підставі другого закону Кірхгофа визначаються так звані контурні струми які замикаються в незалежних контурах, в яких відсутні внутрішні гілки. Число рівнянь, що записуються для контурних струмів за другим законом Кірхгофа, дорівнює числу незалежних контурів, тобто для електричної схеми із числом вузлів q і числом гілок p завдання знаходження контурних струмів зведеться до рішення системи p - q +1 рівнянь. Напрямки контурних струмів задаються довільно. Напрямок обходу кожного контуру приймається, як правило, співпадаючим з обраним напрямком контурного струму; тому при складанні рівняння за другим законом Кірхгофа спад напруги від заданного контурного струму в опорах, що входять у контур, береться зі знаком „+”. Спад напруги від струму суміжного контуру в загальному опорі береться зі знаком „-”, якщо контурні струми в цьому опорі спрямовані зустрічно. Метод вузлових напруг Полягає в тому, що на підставі першого закону Кірхгофа визначаються напруги у вузлах електричного кола щодо деякого базисного вузла. Ці визначені напруги називаються вузловими напругами, причому додатний напрямок їх вказується стрілкою від розглянутого вузла до базисного. Напруга на будь-якій гілці дорівнює різниці вузлових напруг кінців даної гілки; добуток же цієї напруги на провідність даної гілки дорівнює струму в ній. Таким чином, знаючи вузлові напруги в електричному колі, можна знайти струми в гілках. Якщо прийняти потенціал базисного вузла рівним нулю, то напруги між іншими вузлами і базисним вузлом будуть рівні також потенціалам цих вузлів. Тому даний метод називається також методом вузлових потенціалів. При наявності однієї гілки з ЕРС і нескінченою провідністю доцільно прийняти за базисний вузол один з вузлів, до якого примикає дана гілка, тоді напруга даного вузла стає відомою і число невідомих скорочується на одне. Число невідомих у методі вузлових напруг дорівнює числу рівнянь, які треба скласти для схеми запершим законом Кірхгофа. Метод вузлових напруг має перевагу перед методом контурних струмів у тому випадку, коли число рівнянь, записаних запершим законом Кірхгофа, менше числа рівнянь, записаних за другим законом Кірхгофа, або якщо (q -1) < ( p - q +1) , або, що те ж 2(q -1) < p, де q - кількість вузлів, p - кількість гілок. Метод накладення При розрахунку за методом накладення струм у будь-якій гілці електричного кола визначається як алгебраїчна сума струмів, викликаних у даній гілці кожною з ЕРС окремо, у припущенні рівності нулю всіх інших ЕРС. Порядок розрахунку кола методом накладення такий. В електричному колі закорочують всі джерела ЕРС, крім одного. На їх місці лишається внутрішній опір джерел ЕРС. Виконують розрахунок електричного кола. Подібним чином роблять стільки разів, скільки знаходиться в колі джерел. Результуючий струм кожної гілки визначають як алгебраїчну суму струмів від всіх джерел. Метод накладення досить зручний для аналізу процесів, що відбуваються в електричних колах при зміні їх параметрів 2. Основой схем импульсной и цифровой техники является транзисторный ключ, те. каскад на транзисторе, работающем в двух режимах насыщенный (ключ открыт) и отсечки (ключ закрыт. Транзисторный ключ может быть построен по схемам с ОБ, ОЭ и ОК, однако, наибольшее распространение нашел ключ по схеме с ОЭ. Его схема с транзистором типа и выходные характеристики с линией нагрузки имеют вид Это состояние соответствует точке А на диаграмме рис, і К =І КБ0 ≈0, напряжение на транзисторе U К ≈Е К Основной смысл такого режима в том, что малый ток базы управляет большим током коллектора, который в несколько десятков раз больше тока базы. Большой ток коллектора получается за счет внешнего источника энергии, но все равно усиление потоку, что называется, налицо. Простой пример маленькая микросхема включает большую лампочку. Здесь эмиттер (источник электронов) уподобляется катоду, база выполняет роль управляющей сетки, а коллектор аналогичен аноду. Входной ток в этом случае является током базы. Статический коэффициент усиления потоку для схемы с общим эмиттером, те. основной параметр этой схемы, обозначаемый буквой , показывает, во сколько раз прирост тока коллектора превосходит вызвавшую его величину прироста тока базы при неизменном напряжении коллектор- эмиттер Таким образом, в схеме с общим эмиттером возможно достигнуть усиления как потоку, таки по напряжению. Усиление по мощности может достигать величины, равной произведению этих усилений, что и является достоинством этой схемы. Для схемы с общим эмиттером статические характеристики имеют свои особенности. . Вполне понятно, что при отсутствии напряжения на коллекторе характеристика подобна характеристике диодного перехода. Если же напряжение U к.э увеличить, то часть электронов эмиттера пойдет к коллектору, ток базы уменьшится и характеристика сдвинется вправо. Более того, при малых значениях напряжения U б.э ток базы I б становится отрицательным (направленным во внешней цепи от базы к общей точке. Это объясняется действием части напряжения U к.э на участок база-эмиттер (внутри прибора, причем такое явление представляет собой обратное воздействие выходной цепи на входную (обратная связь. Во внешней части входной цепи напряжение обратной связи направлено навстречу источнику питания и при малом значении может изменить направление тока. Ця схема називається Т-подібної еквівалентною схемою, відображає основні фізичні процеси, що відбуваються в транзисторі, і зручна для їх аналізу Еквівалентна схема біполярного транзистора в схемі з загальним емітером Значення параметрів Т-подібних фізичних еквівалентних схем залежить від обраного режиму транзистора і не залежить від схеми його ввімкнення. Безпосереднє вимірювання фізичних параметрів БТ неможливе, бо точка з’єднання опорів , і знаходиться всередині кристала напівпровідника. Тому ці параметри розраховуються за допомогою формул, які зв’язують фізичні параметри з -параметрами БТ (таблиця 3.5). Таблиця 3.5 Параметр ССБ ССЕ ССК - 5. В эквивалентных схемах используются перечисленные ниже идеальные элементы. Предполагается также, что геометрические размеры эквивалентной схемы настолько малы, что какие-либо эффекты длинных линий отсутствуют, то есть эквивалентная схема рассматривается как система с сосредоточенными параметрами. Резистор. Идеальный резистор характеризуется только сопротивлением. Индуктивность, ёмкость, а также сопротивление выводов равны нулю. Конденсатор. Идеальный конденсатор характеризуется только ёмкостью. Индуктивность, утечка, тангенс угла потерь, диэлектрическое поглощение а также сопротивление выводов равны нулю. Катушка индуктивности. Идеальная катушка индуктивности характеризуется только индуктивностью. Ёмкость, сопротивление потерь, а также сопротивление выводов равны нулю. Источник ЭДС. Идеальный источник ЭДС характеризуется только своим напряжением. Внутреннее сопротивление и сопротивление выводов равны нулю. Источник тока. Идеальный источник тока характеризуется только своим током. Утечка равна нулю. Проводники. Элементы эквивалентной схемы соединены идеальными проводниками, то есть индуктивность, ёмкость и сопротивление проводников равны нулю. на еквівалентних схемах, призначених для графічного моделювання та теоретичного аналізу властивостей, характеристик і параметрів електричних кіл, показують не їхні деталі, а ідеалізовані елементи, тобто фізичні моделі реальних деталей, що відображують найсуттєвіші їхні властивості за даних умов застосування і діючих у колі сигналів. Властивості будь-яких деталей можна відобразити, користуючись ідеалізованими еквівалентними елементами електричних кіл: електропровідністю g , ємністю C , індуктивністю L та джерелами струму Г або напруги Г E Елементом електричного кола називають ідеалізоване пристрій , що відображає яке-небудь з властивостей реальної електричного кола. У загальному випадку електричне коло складається : 1) з джерела електроенергії; 2) споживача (приймача) електричної енергії; 3) з’єднувальних проводів. Крім основних елементів, до складу електричних кіл входять різні допоміжні елементи : керування рубильники, перемикачі, контактори та ін.), захисту (плавкі запобіжники, реле тощо), регулювання (реостати, стабілізатори струму й напруги, трансформатори), контролю (електровимірювальні прилади – амперметри, вольтметри, ватметри і т.д.).Допоміжні елементи, як і основні, вмикаються в коло за допомогою проводів Елементом електричного кола в електротехніці називають не фізично існуючі реальні складові частини електротехнічного пристрою, а його ідеалізовану модель, якій теоретично приписують відповідні електричні й магнітні властивості так, що вони в сукупності з достатньою мірою точності відображують явища, які відбуваються у реальних пристроях. 8. В полевых транзисторах с управляющим переходом (ПТУП) для изменения проводимости канала используется эффект изменения ширины области пространственного заряда (ОПЗ) обратно смещенного перехода при изменении приложенного к нему напряжения затвора. На рис. 76 показана конструкция n - канального транзистора, в котором для управления используется обратносмещенный p + n переход. Рис. 76. Полевой транзистор с управляющим pn переходом. В верхнем правом углу показано графическое обозначение (в n - канальном транзисторе стрелка направлена в другую сторону) Транзистор включается таким образом, чтобы pn переход затвора находился под обратным смещением, а полярность напряжения исток - сток выбирается такой, чтобы основные носители заряда под действием электрического поля в канале смещались к стоку. Для n - канального транзистора, показанного на рис. 76, на сток относительно истока должен подаваться положительный потенциал, к которому под действием поля будут дрейфовать электроны. На затвор относительно стока необходимо подавать отрицательный потенциал, чтобы затворный переход находился под обратным смещением. Поскольку ОПЗ обладает высоким сопротивлением, то при увеличении ширины ОПЗ сечение канала уменьшается и его сопротивление возрастает. Самое низкое сопротивление канала и, соответственно, самый большой ток через него будет при нулевом напряжении на затворе (з = 0), затем по мере увеличения ширины ОПЗ при возрастании з и, соответственно, уменьшении сечения канала ток будет падать и при некотором напряжении отсечки Uзо канал полностью перекроется и ток через него перестанет возрастать. Соответствующие вольтамперные характеристики ПТУП приведены на рис. 77. Рис. 77. Вольтамперные характеристики полевого транзистора с управляющим pn переходом. Выведем уравнение, описывающее ВАХ ПТУП, при этом сделаем ряд допущений, позволяющих значительно упростить расчет. Прежде всего будем использовать все допущения, которые ранее были сделаны при выводе ВАХ. Кроме того, будем считать, что ток в канале определяется только основными носителями заряда, и будем считать, что при нулевом смещении ширина ОПЗ близка к нулю. |