Билет №1
Элементы электрических цепей и электрических схем.
Электрической цепью называются совокупность устройств, предназначенных для взаимного преобразования, передачи и распределения электрической и других видов энергии и информации (в виде электрических сигналов), если процессы в устройствах можно описать при помощи понятий о токе, напряжении и электродвижущей силе (ЭДС).
К основным элементам электрической цепи относятся источники электрической энергии (источники питания), приемники электрической энергии или потребители, устройства для передачи энергии от источников к приемникам.
Источниками электрической энергии служат устройства, в которых происходит преобразование различных видов энергии в электромагнитную, или, как говорят сокращенно, в электрическую (на производстве и в быту говорят еще короче – электроэнергия). В качестве источников энергии применяются преимущественно электрические генераторы, в которых механическая энергия преобразуется в электрическую, первичные (гальванические) элементы и аккумуляторы, в которых химическая энергия преобразуется в электрическую, термоэлементы, фотоэлементы и солнечные батареи, преобразующие соответственно тепловую и световую энергию в электрическую, магнитогидродинамические генераторы, в которых тепловая энергия превращается в энергию движения плазмы, а затем в электрическую, атомные реакторы, в которых ядерная энергия преобразуется в тепловую.
Таблица 1.1 Условные графические обозначения, применяемые на электрических схемах
Анализ цепей с операционными усилителями, работающими в режиме насыщения.
Операционный усилитель, работающий в режиме насыщения, описывается следующими уравнениями:
Главное отличие от линейного режима заключается в том, что дифференциальное напряжение Ud отличается от нуля, а выходное напряжение не зависит от величины Ud и равно напряжению насыщения. Полярность выходного напряжения определяется полярностью Ud.
Уравнениям (5.4) и (5.5) соответствует схема замещения, показанная на рис. 5.6. Выходную цепь ОУ моделирует независимый источник напряжения. Полярность этого источника определяется полярностью напряжения Ud.
Используем рассмотренную модель для анализа типовых нелинейных схем.
Пример 5.4. Компаратор (рис. 5.7) является простейшей цепью с ОУ, работающей в режиме насыщения. Поскольку отрицательная обратная связь отсутствует, дифференциальное напряжение на входе ОУ отлично от нуля. Схема замещения для случая, когда E1<E2, приведена на рис. 5.8, а, для случая, когда E1>E2– на рис. 5.8, б.56 а б
Дифференциальное
напряжение
Таким образом, если E1> E2, то Ud> 0, и выходное напряжение компаратора Uвых= E .
Если
E1< E2, то Ud< 0 и Uвых= −Eнас.
На рис. 5.9 показана передаточная характеристика компаратора.
Пример
5.5. Еще одной схемой, в которой используется
ОУ в режиме насыщения, является
инвертирующий триггер Шмитта (рис.
5.10). Поскольку ОУ охвачен положительной
обратной связью, он находится в режиме
насыщения. Схема замещения рассматриваемой
цепи изображена на рис. 5.11. Решение.
Напряжение на входе ОУ
Здесь β = R1/(R1+ R2)
Для определенности будем полагать, что напряжение на выходе усилителя равно + Eнас. В соответствии с (5.6) напряжение Ud будет положительным до тех пор, пока Uвх< βEнас
Если Uвх превышает βEнас, выходное напряжение изменяет свой знак и становится равным −Eнас При этом напряжение на входе ОУ Ud= −Uвх− βEнас
Напряжение Ud будет оставаться отрицательным до тех пор, пока входное напряжение не уменьшится до величины − βEнас. В этот момент выходное напряжение вновь станет равным +Eнас. Передаточная характеристика триггера Шмитта изображена на рис. 5.12. Ширина петли передаточной характеристики определяется коэффициентом β = R1/(R1+ R2). Передаточную характеристику можно сместить вправо или влево относительно начала координат, если включить источник напряжения между резистором R1 и заземленным узлом.