- •Лекции по электротехнике и электронике
- •Содержание
- •Предисловие
- •Лекция 1 основные понятия электротехники Электрические заряды
- •Электрический ток
- •Электрическая цепь
- •Источники электрической энергии
- •Потребители электрической энергии
- •Электрическая схема и её элементы
- •Закон Ома
- •Закон Ома для участка цепи
- •Закон Ома для активного участка цепи
- •Закон Ома в дифференциальной форме
- •Параллельное соединение резисторов
- •Соединение треугольником и звездой
- •Лекция 3 Законы токораспределения в электрических цепях Распределение тока в параллельных ветвях
- •Законы Кирхгофа в электротехнике
- •Первый закон Кирхгофа
- •Второй закон Кирхгофа
- •Применение законов Кирхгофа для расчета электрических цепей
- •Электрическая мощность и баланс мощностей
- •Баланс мощностей
- •Лекция 4 электрические цепи синусоидального тока Принцип получения гармонически изменяющегося тока
- •Представление гармонических колебаний вращением вектора на комплексной плоскости
- •Опережение и отставание гармонических колебаний
- •Понятие комплексных амплитуд
- •Принцип расчета цепей переменного тока
- •Индуктивность и ёмкость в цепи переменного тока
- •Закон Ома для цепей переменного тока
- •Переход от алгебраической формы к показательной для производства деления был рассмотрен в разделе «Представление гармонических колебаний вращением вектора на комплексной плоскости»
- •Векторная диаграмма напряжений
- •Мощности в цепи переменного тока
- •Активная мощность
- •Реактивная мощность
- •Полная мощность
- •Треугольник мощностей
- •Баланс мощностей
- •Заключение
- •Лекция 5 Основные понятия радиоэлектроники Диэлектрики, полупроводники и проводники
- •Энергетические состояния электронов в твёрдых телах
- •Электропроводность полупроводников
- •Полупроводниковый p-n- переход
- •Лекция 6 полупроводниковые диоды
- •Выпрямительные диоды
- •Стабилитроны
- •Туннельные диоды
- •Диоды Шоттки
- •Варикапы
- •Фотодиоды
- •Светодиоды
- •Другие типы диодов
- •Лекция 7 транзисторы
- •Биполярные транзисторы
- •Устройство и принцип действия биполярного транзистора
- •Схемы включения биполярного транзистора
- •Статические характеристики транзистора
- •Полевые транзисторы
- •Полевые транзисторы с управляющим р-n- переходом
- •Вольт-амперные характеристики полевого транзистора с р-п- переходом и каналом п- типа
- •Полевые транзисторы с изолированным затвором
- •Статические характеристики мдп - транзисторов
- •Область применения
- •Основные схемы включения полевых транзисторов
- •Лекция 8 нелинейные цепи и их расчет
- •Расчет электрических цепей с полупроводниковыми диодами.
- •Лекция 9 Аналоговые устройства электроники
- •Источники питания электронных устройств. Выпрямители переменного тока и стабилизаторы
- •Двухполупериодная схема выпрямления.
- •Частотные электрические фильтры
- •Усилители электрических сигналов
- •Специальные виды усилителей
- •Генераторы сигналов Генераторы гармонических колебаний
- •Генераторы сигналов специальной формы
- •Переходные процессы в электрических цепях
- •Закон коммутации
- •Характеристики переходного процесса
- •Интегрирующие и дифференцирующие цепи
- •Мультивибратор
- •Переходные процессы в цепи, содержащей rlc
- •Лекция 10 резонанс в электрических цепях и беспроводная связь
- •Принципы беспроводной связи
- •Лекция 11 Цифровая электроника
- •Электронные ключи
- •Логические схемы
- •Счётчики
- •Регистры
- •Делители числа входных импульсов
- •Генераторы и формирователи импульсов
- •Лекция 12 пакетная передача даных Структура пакета
- •Передача данных в сети интернет
- •Сотовая связь
- •Методы обнаружения ошибок
- •Проверка на четность/нечетность
- •Метод полиномиальных кодов
- •Заключение
- •Дополнительная литература
Закон Ома
Закон Ома – это основополагающий закон электротехники. Он связывает между собой три величины: ток, сопротивление и напряжение. Его нужно не просто знать, его нужно чувствовать. Почувствовать закон Ома просто, достаточно понять электрическое сопротивление. Электрическое сопротивление – это сопротивление движению заряженных частиц, то есть току, следовательно, чем больше сопротивление, тем меньше сила тока. Это самая приемлемая формулировка закона Ома. Она отражает его суть. Сопротивление определяет силу тока (так как источник электрической энергии стабилен и не меняется, он задаёт начальные условия).
Существуют три разновидности закона Ома:
Закон Ома для участка цепи;
Закон Ома для активного участка цепи
Закон Ома в дифференциальной форме
Закон Ома для участка цепи
Это самая простая форма закона Ома. Все три параметра: I – сила тока, U- напряжение и R – сопротивление относятся к одному пассивному участку электрической цепи (ветви или её части), поэтому, бессмысленно применять эту формулу, не определив совершенно четко начало участка и его конец.
На рисунке 1а выделим участок от узла А через узел В к узлу Г. Применить указанную формулу для этого участка нельзя, т.к. на участке два тока и, следовательно, две ветви, хотя участок пассивный. Выделим участок от узла Г через R1 до узла А. Хотя это одна ветвь, но она активная и применить указанную формулу также нельзя. Но для участка содержащего только сопротивление R1 (пассивный участок этой ветви), её применить можно.
Ещё одно очень важное замечание. Величины I и U могут быть как положительными, так и отрицательными. Как и везде их знак определяется в зависимости от выбранного положительного направления. Здесь надо помнить, что эти величины не вектора, а направление нужно понимать как направление движения положительных зарядов по проводнику. (Смотри раздел «Источники электрической энергии»). На рисунке 1а ток I2 имеет направление от узла А к узлу Б, тем самым подразумевается, что узел А имеет потенциал выше, чем узел Б. Такое же направление на этом участке должно иметь напряжение U. Отсутствие индексов у напряжения не совсем корректная запись. Правильнее было бы написать: = = , в знаменателе стоит сопротивление R2, сопротивление этого участка. Напряжение UАБ=(φА-φБ) >0, UБА=( φБ- φА) <0, где φА и φБ потенциалы электрического поля в проводнике в точках (узлах) А и Б.
Как видно из выше сказанного «не такая это «самая простая» форма закона Ома
Закон Ома для активного участка цепи
Участок называется активным, если внутри участка находится активный элемент, то есть источник электрической энергии. Изобразим отдельно активный участок цепи, представленной на рисунке 1. Смотри рисунок 2.
Так как электрический ток имеет направление на участке от Г к А, то потенциал точки Г выше потенциала точки А (ток всегда направлен от точки с большим потенциалом), следовательно, напряжение на участке также имеет положительное направление от Г к А. Оно представляет собой алгебраическую сумму двух напряжений:
Рисунок 2. Активный участок цепи
напряжения на резисторе R1 , совпадающее по направлению с UГА и напряжения на клеммах источника Е, (точки А и К), направленное по правилу положительного направления для напряжений на участке А и К (от точки с большим потенциалом, то есть, от «плюса» источника). Напряжение UE не совпадает по направлению с UГА. Таким образом,
UГА = UR1 - UE
Напряжение UR1 в электротехнике называется падение напряжения, так как напряжение падает (уменьшается) от точки Г к точке К и определяется по Закону Ома для участка Г-К
UR1 = I1R1
Термин «падение напряжения» сохраняется даже, если потенциал будет увеличиваться от Г к К, например, если ток будет противоположного направления. Другими словами, если напряжение определяется по закону Ома, то оно называется падением напряжения, если через разность потенциалов, то это напряжение.
Напряжение UE = Е, так как внутреннее сопротивление источника ЭДС равно нулю и внутри ЭДС не происходит падения напряжения. Т.о.
UГА = I1R1 – Е или отсюда в общем виде
I =
Уже понятно, какое колоссальное значение имеют в электротехнике правила знаков величин. Чаще приходится пользоваться нижней формулой. Определим правила знаков.
Если напряжение совпадает с током по направлению, то оно берётся в числителе с плюсом
Если ЭДС совпадает с током по направлению (как бы ему «помогает»), то она берётся в числителе с плюсом
На рисунке 2 точка Г заземлена. Потенциал точки, соединённой с Землёй всегда равен нулю. Заземлять в электрической цепи можно только одну точку, иначе появится ещё один узел с нулевым потенциалом, что приведёт к изменению значений токов в цепи.
Итак, потенциал точки Г равен нулю. Потенциал точки К был бы равен потенциалу точки Г, если бы не было тока в R1, а ток создаёт падение напряжения (ток течет к точке К), следовательно, потенциал точки К меньше, чем в Г, следовательно, чтобы уменьшить, нужно отнять падение напряжения на отнять
φк = φг – I1R1
Потенциал точки А был бы равен потенциалу точки К, если бы не было ЭДС. Источник энергии Е своим «плюсом» (высокий потенциал) направлена к точке А, следовательно, в точке А она повышает потенциал
φА = φк + Е
или, подставив значение φк
φА = φг – I1R1 + Е
Напряжение UАГ = φА - φг = – I1R1 + Е, т.к. φг = 0. Результат совпадает с полученным результатом ранее.
Рассмотренная методика позволяет определить потенциал в любой точке схемы.