ВВЕДЕНИЕ

Процессы, протекающие в электротехнических устройствах, в общем случае подчиняются общим законам электромагнитного поля. Они сопровождаются взаимным преобразованием электромагнитной энергии в другие виды и аналитически описываются уравнениями в частных производных (уравнениями Максвелла). Их общее решение затруднительно даже в простейших случаях. В теории электромагнитного поля оперируют векторными величинами, такими, как плотности токов, напряженности электрического и магнитного полей.

Для исследования широкого круга устройств можно применять упрощенные методы. Их используют в электротехнике и теории электрических цепей. Они основаны на замене реального устройства некоторой упрощенной моделью, процессы в которой описываются скалярными величинами – токами, напряжениями. Отдельные элементы устройства также заменяются моделями, приближенно отражающими свойства реального элемента. Таким образом, электротехника занимается упрощенными методами исследования и расчета электромагнитных явлений и устройств на их основе, процессы в которых описываются электрическими токами и напряжениями.

Электротехника имеет два направления. Они имеют общую физическую основу, но направлены на решение различных технических задач. Силовая электротехника – это производство и передача электрической энергии и преобразование ее в другие виды: механическую, тепловую, световую. Информационная электротехника направлена на использование электрических явлений для передачи и обработки информации. Второе направление называют радиоэлектроникой, информационной электроникой, оно изучается в курсе «Теория электрических цепей» и рассмотрено в настоящем пособии.

Основные понятия, определения и законы в теории электрических цепей

1.1. Схема обобщенной электрической цепи

Электрической цепью называют совокупность устройств и объектов, предназначенных для распределения, взаимного преобразования и передачи электрической и других видов энергии и (или) информации.

Электромагнитные процессы, протекающие в электротехнических устройствах, достаточно сложны. Однако во многих случаях их можно описать с помощью таких интегральных понятий, как: напряжение и ток. При таком подходе совокупность электротехнических устройств, предназначенных для генерации, передачи, приема и преобразования электрической энергии и (или) информации, рассматривают как электрическую цепь. Отдельные части электрической цепи, выполняющие определенные функции, называют элементами электрической цепи. Основными элементами цепи являются источники и приемники электрической энергии (сигналов).

Источники (генераторы) электрической энергии предназначены для преобразования различных видов энергии в электрическую энергию.

Приемники (потребители) электрической энергии служат для ее преобразования в другие виды энергии. Их называют нагрузкой.

Кроме перечисленных основных элементов в ее состав входит линия связи. Она служит средством передачи сигнала (энергии) от источника к приемнику (соединительные провода, линии передачи и т.д.). Кроме этого в ее состав могут входить элементы, которые подавляют или усиливают определенные составляющие сигналов (фильтры, усилители), изменяют уровень напряжения и тока в других частях цепи (трансформаторы), улучшают или изменяют характеристики и параметры участков цепи и ее элементов (корректирующие устройства, фазовые звенья) и т. п.

Обобщенная электрическая цепь представлена на рис. 1.1. в виде схемы.

Рис. 1.1

Каждый из элементов этой схемы можно рассматривать как отдельную электрическую цепь. В информационной технике под электрической цепью понимают линию связи. Сигнал x(t) на входе линии связи называют входным сигналом, или воздействием, а сигнал y(t) на выходе называют выходным, откликом, или реакцией цепи.

По назначению различают цепи для передачи и преобразования электрической энергии (цепи, применяемые в электроэнергетике) и цепи для передачи и преобразования информации (цепи в технике связи, радиотехнические цепи, цепи устройств автоматики и телемеханики, в информационной технике и т. д.).

Для наглядного представления электрической цепи ее изображают графически рисунком - схемой электрической цепи.

Схема (модель) электрической цепи состоит из условно графических обозначений (УГО) всех элементов входящих в цепь и показывает порядок их соединения между собой. Различают следующие типы схем.

Структурная схема – это условное графическое изображение реальной цепи в виде прямоугольников или условно-графических обозначений (УГО), отражающих только важнейшие функциональные части цепи и основные связи между ними (рис.1.1)

Принципиальная схема показывает в виде УГО все элементы цепи и порядок соединения между ними.

Схема замещения, или эквивалентная схема составляется из УГО идеализированных элементов, которые заменяют реальные элементы в рамках решаемой задачи.