Раздел 1. Линейные электрические цепи переменного тока

Введение

Дисциплина «Электронные средства функционирования информационных систем» посвящена изучению электромагнитных процессов, происходящих в электронных устройствах, используемых в информационных системах, в том числе, построенных на основе электронных вычислительных машин. Такие машины представляют собой сложное радиоэлектронное устройство, в котором применяется генерирование и формирование электрических колебаний, их усиление, преобразование и другие физические процессы, позволяющие обеспечивать работу информационных систем. Для полноценного функционирования этих систем необходимо обеспечение их электрическим питанием. Поэтому в программе курса рассматриваются основные понятия электрических величин, источники электрической энергии, электрические цепи и устройства электрического питания, преобразование электрической энергии, а также принципы построения современной полупроводниковой элементной базы, функциональные назначения и способы реализации устройств генерирования, усиления и преобразования электрических колебаний, а также их использование в информационных системах.

Электротехника - область науки и техники, изучающая электрические и магнитные явления и использующая их в практических целях (см. также Пан – 76, с 9)

Практическое использование включает:

- производство, преобразование, передачу, распределение электрической энергии и превращение её в другие виды энергии.

Основные даты:

1785 – открытие законов Кулона – зарождение Электротехники.

1799 – открытие химического источника тока Вольта.

1831 – открытие закона электромагнитной индукции Фарадея – начало развития Электротехники как науки.

1870 – изобретение промышленного генератора тока, З. Т. Грамм –французский изобретатель из Бельгии, начало развития Электротехники, как самостоятельной отрасли техники.

Вклад российских ученых:

1802 – Петров Василий Владимирович открыл электрическую дугу (Вольтову) от 2100 элементов Вольта (на 8 лет раньше Деви).

1834 – Якоби Борис Семенович изобрел первый электродвигатель.

1876 – Яблочков Павел Николаевич – изобрел электрическую свечу, известную в Европе, как «русский свет» - дуга без регулятора расстояния между электродами.

1888-90 г. – Доливо-Добровольский Михаил Иосифович разработал 3-х фазную систему тока – изобрел генератор, трансформатор и двигатель 3-х фазного тока.

Достоинства электрической энергии:

-легко передается по проводам и без проводов (связь)

-легко распределяется

-легко преобразуется в теплоту, механическую и другие виды энергии (и наоборот)

-высокий КПД электрических машин (до 98%)

-источники электрической энергии могут объединяться в общую энергосистему.

Поэтому электроэнергия так широко распространена!!!

Классификация электрических токов, электрических цепей и элементов электрических цепей.

Постоянным током – называется электрический ток, величина и направление которого не изменяются во времени.

Переменным током – называется электрический ток, величина или направление которого не остаются постоянными.

Электрической цепью называется совокупность устройств, образующих путь для электрического тока, процессы в которых могут быть описаны с помощью электрических величин – ЭДС, тока и напряжения.

Элементами электрической цепи называется отдельные устройства, входящие в Электрическую цепь.

Участком цепи называется часть электрической цепи, содержащая выделенные в ней элементы.

Схемой электрической цепи называется ее графическое изображение, которое может быть выполнено различными способами. Эскизное или натурное изображение содержит рисунки (эскизы) элементов цепи и их соединений. Такое изображение приводит к громоздким и трудновыполнимым чертежам.

Принципиальная схема изображает элементы цепи с помощью с помощью условных обозначений (в соответствие с ГОСТом). Принципиальная схема показывает назначение элементов цепи и их взаимодействие, но она неудобна при расчете режима работы цепи. Для выполнения расчетов более удобна схема замещения. Схема замещения электрической цепи состоит из совокупности идеализированных элементов, выбранных так, чтобы можно было с заданным приближением математически описать процессы в цепи. Конфигурация схемы замещения определяется следующими топологическими понятиями: ветвь, узел, контур.

Ветвь электрической цепи (схемы) – участок цепи с одним и тем же током. Ветвь может состоять из одного или нескольких последовательно соединенных элементов.

Узел электрической цепи (схемы) – место соединения трех и более ветвей.

Контур – любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям так, что ни одна ветвь и ни один узел не встречаются более одного раза.

В дальнейшем под термином схема мы будем понимать именно схему замещения.

Все устройства и объекты, входящие в состав электрической цепи, могут быть разделены на три группы:

1) Источники электрической энергии (питания).

Общим свойством всех источников питания является преобразование какого-либо вида энергии в электрическую. Источники, в которых происходит преобразование неэлектрической энергии в электрическую, называются первичными источниками. Вторичные источники – это такие источники, у которых и на входе, и на выходе – электрическая энергия (например, выпрямительные устройства).

2) Потребители электрической энергии.

Общим свойством всех потребителей является преобразование электроэнергии в другие виды энергии (например, нагревательный прибор). Иногда потребители называют нагрузкой.

3) Вспомогательные элементы цепи: соединительные провода, коммутационная аппаратура, аппаратура защиты, измерительные приборы и т.д., без которых реальная цепь не работает.

Все элементы цепи охвачены одним электромагнитным процессом.

Пассивными элементами называются элементы электрической цепи, работу которых, можно характеризовать с помощью параметров R, L, C. (это резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы, хотя не только резисторы)

Для описания работы активных элементов необходимо вводить ЭДС. Активными элементами являются источники электрической энергии и некоторые другие.

Элементы электрической цепи, обладающие одним параметром называются идеальными (например: идеальная катушка индуктивности, характеризуется только индуктивностью, то есть, не обладает активным сопротивлением и емкостью).

Идеальные элементы – это модель. Все реальные элементы не идеальны

Элементы электрической цепи называются линейными, если их параметры R, L, C не зависят от тока и напряжения.

Если параметры элементов R, L, C зависят от U или I, то такие элементы называются нелинейными. (все реальные элементы не линейны)

Электрическая цепь, содержащая только линейные элементы называется – линейной.

Если электрическая цепь содержит хотя бы один нелинейный элемент, то она называется нелинейной.

По способу соединения элементов электрической цепи делятся на неразветвленные (последовательные) и разветвленные (в цепи имеются участки с параллельными элементами)