Для теоретических расчетов и практического применения достаточно часто необходимо знать сопротивление электрической цепи. По этому параметру делают выводы о мощности нагрузки. С его помощью определяют параметры делителей напряжения и других устройств, отдельных частей радиотехнических схем. После ознакомления с тематическими методиками обозначенные и другие задачи можно решать быстро и правильно.
Отдельные исходные данные можно получить после измерений
Определение
Если посчитать общее сопротивление (Rобщ), можно выяснить изменение основных электрических параметров (тока (I) и напряжения (U)) при подключении схемы к определенному источнику питания. В простейшем варианте достаточно применить закон Ома (I = U/ R) и пренебречь внутренним сопротивлением аккумулятора.
При напряжении U = 6,5 В через подключенный резистор R = 20 ОМ будет проходить ток I = 6,5/20 = 0,325 А. По вычисленному параметру с помощью классической формулы можно узнать мощность:
P = I2 *R = U2/ R = 0,105625 * 20 = 2,11 Вт.
Полученное значение пригодится для выбора подходящего пассивного элемента в ассортименте магазина.
На практике приходится решать задачи с большим количеством элементов. Общий показатель эквивалентен суммарному сопротивлению цепи. Однако простым сложением правильный результат получить нельзя. Ниже рассмотрены технологии, по которым выполняют корректные вычисления.
Основные термины и определения
Рисунок поясняет используемую терминологию:
- i1, i2… i6 – токи в отдельных цепях;
- R1-R3 – пассивные элементы (резисторы);
- e1, e2 – типичные обозначения источников тока (ЭДС);
- L и C – компоненты с реактивными характеристиками (индуктивными и емкостными, соответственно);
- ветвями называют с одним током;
- места соединение этих цепей – узлы;
- контуры (обозначены римскими цифрами I, II и III) показывают замкнутые пути прохождения токов по нескольким ветвям.
Параметры резисторного элемента
Сопротивление тока: формула
При нанесении на схемы графического обозначения элемента сопротивления на нём указывается некоторые из его параметров.
Графическое обозначение резистора на схемах
К главным параметрам и элементарным характеристикам относятся:
- номинальное значение сопротивления;
- температурный коэффициент;
- максимальная рассеиваемая мощность;
- допустимое рабочее напряжение;
- коэффициент шума;
- относительное отклонение от номинала;
- устойчивость элемента к высокой температуре и влажности.
На чертежах и схемах резистор обозначается буквой R, с нанесением его порядкового номера.
Особенности расчетов
Для вычисления полной цепи учитывают по формуле внутреннее сопротивление (Rвн) источника:
Емкостное сопротивление
I = E (ЭДС)/ (Rэкв + Rвн).
Имеющуюся схему преобразуют с целью упрощения по рассмотренным выше принципам с применением эквивалентных сопротивлений. Далее пользуются классическими соотношениями электрических величин, которые основаны на законе Ома.
Также применяют специфические технологии:
- контурных токов;
- узловых потенциалов;
- эквивалентного генератора;
- наложения.
К сведению. Кроме упрощения схем, применяют стандартные методики преобразования математических формул. В некоторых ситуациях удобнее оперировать с дробными величинами, поэтому следует обновить в собственной памяти соответствующие знания из школьной программы.
Смешанное соединение
Как быть, если в схеме есть и параллельное, и последовательное соединение резисторов? В таком случае считают общее сопротивление по участкам. Можно при этом перерисовывать схему, заменяя составные сопротивления на один «прямоугольник», но проставляя над ним высчитанный результат.
Пример расчета сопротивления при смешанном соединении резисторов. Рассматриваем исходную схему как совокупность параллельных и последовательных соединений
Шаг 1. Нашли общее сопротивление последовательно соединенных резисторов R3 и R4:
R3-4 = 3 кОм + 3 кОм = 6 кОм;
Шаг 2. Рассчитали сопротивление параллельно соединенных резисторов R2 и R3-4:
R2-4 = 3 кОм * 6 кОм / (3 кОм + 6 кОм) = 18 кОм/9 кОм = 2 кОм;
Шаг 3. Рассчитали общее сопротивление последовательно соединенных резисторов R1 и R2-4:
R1-4 = R1 + R2-4 = 1 кОм + 2 кОм = 3 кОм.
Постулаты Кирхгофа
Эти принципы используют для расчета сложных электрических схем. Базовые сведения о токах и напряжениях помогут уточнить контрольные параметры в отдельных узлах. С помощью этой информации корректируют характеристики отдельных функциональных компонентов. Они пригодятся для определения уровня выходного сигнала в определенных точках без применения измерительной аппаратуры.
Первый постулат
Удельное сопротивление
По классической формулировке сумма (алгебраическая) входящих и выходящих из одного узла токов определяется выражением:
i1 + i2 + … + in = 0.
Это соотношение справедливо для любой контрольной точки схемы, где соединяются ветви. Не имеет значения, какие именно компоненты включены в отдельные цепи:
- реактивные;
- пассивные;
- источники питания в любой полярности.
К сведению. Подразумевается (для расчета), что входящие/ выходящие токи положительные/ отрицательные, соответственно.
Второй постулат
Это правило определяет равенство сумм напряжений и ЭДС, включенных в один контур. Для наглядности можно представить простейший пример с двумя резисторами, подключенными к источнику постоянного тока. С помощью мультиметра измеряют напряжения на выводах:
- UR1 = 4 V;
- UR1 = 2,5 V;
- Uакб = 6,5 V = UR1 + UR2.
Второе правило действительно для всех замкнутых контуров, смешанных и сложных соединений. Для проверки вычислений можно суммировать последовательно разницу потенциалов контрольных точек. Если в цепи отсутствуют дополнительные генераторы (аккумуляторные батареи), получится результат, равный нулю. Выбирают направление обхода контура, соответствующее положительному току (входящему в узел). Выше показан частный случай, когда складывают результаты измерений.
К сведению. Второй постулат Кирхгофа применяют для расчета схем, подключенных к источнику питания переменного тока.
Виды резисторов
Существует множество видов резисторов, которые используются в радио-электронной промышленности. Давайте разберем основные из них.
Постоянные резисторы
Постоянное резисторы выглядят примерно вот так:
Слева мы видим большой зеленый резистор, который рассеивает очень большую мощность. Справа — маленький крохотный SMD резистор, который рассеивает очень маленькую мощность, но при этом отлично выполняет свою функцию. Про то, как определить сопротивление резистора, можно прочитать в статье маркировка резисторов.
Вот так выглядит постоянный резистор на электрических схемах:
Наше отечественное изображение резистора изображают прямоугольником (слева), а заморский вариант (справа), или как говорят — буржуйский, используется в иностранных радиосхемах.
Вот так маркируются мощности на советских резисторах:
Далее мощность маркируется с помощью римских цифр. V — 5 Ватт, X — 10 Ватт, L -50 Ватт и тд.
Какие еще бывают виды резисторов? Давайте рассмотрим самые распространенные:
20 ваттный стекловидный с проволочными выводами, 20 ваттный с монтажными лепестками,30 ваттный в стекловидной эмали, 5 ваттный и 20 ваттный с монтажными лепестками
1, 3, 5 ваттные керамические; 5,10,25, 50 ваттные с кондуктивным теплообменом
2, 1, 0.5, 0.25, 0.125 ваттные углеродной структуры; SMD резисторы типоразмеров 2010, 1206, 0805, 0603,0402; резисторная SMD сборка, 6,8,10 выводные резисторные сборки для сквозного монтажа, резистор в DIP корпусе
Переменные резисторы
Переменные резисторы выглядят так:
На схемах обозначаются так:
Соответственно отечественный и зарубежный вариант.
А вот и их цоколевка (расположение выводов):
Переменный резистор, который управляет напряжением называется потенциометром, а который управляет силой тока — реостатом. Здесь заложен принцип делителя напряжения и делителя тока соответственно. Различие между потенциометром и реостатом в схеме подключения самого переменного резистора. В схеме с реостатом в переменном резисторе соединяется средний и крайний выводы.
Переменные резисторы, у которых сопротивление можно менять только при помощи отвертки или шестигранного ключика, называются подстроечными переменными резисторами. У них есть специальные пазы для регулировки сопротивления (отмечены красной рамкой):
А вот так обозначаются подстроечные резисторы и их схемы включения в режиме реостата и потенциометра.
Термисторы
Термисторы — это резисторы на основе полупроводниковых материалов. Их сопротивление резко зависит от температуры окружающей среды. Есть такой важный параметр термисторов, как ТКС — тепловой коэффициент сопротивления. Грубо говоря, этот коэффициент показывает на сколько изменится сопротивление термистора при изменении температуры окружающей среды.
Этот коэффициент может быть как отрицательный, так и положительный. Если ТКС отрицательный, то такой термистор называют термистором, а если ТКС положительный, то такой термистор называют позистором. У термисторов при увеличении температуры окружающей среды сопротивление падает. У позисторов с увеличением температуры окружающей среды растет и сопротивление.
Так как термисторы обладают отрицательным коэффициентом (NTC — Negative Temperature Coefficient — отрицательный ТКС), а позисторы положительным коэффициентом (РТС — Positive Temperature Coefficient — положительный ТКС), то и на схемах они будут обозначаться соответствующим образом.
Варисторы
Есть также особый класс резисторов, которые резко изменяют свое сопротивление при увеличении напряжения — это варисторы.
Это свойство варисторов широко используют от защиты перенапряжений в цепи, а также от импульсных скачков напряжения. Допустим у нас «скакануло» напряжение. Все это дело «чухнул» варистор и сразу же резко изменил сопротивление в меньшую сторону. Так как сопротивление варистора стало очень маленьким, то весь электрический ток сразу же начнет протекать через него, тем самым защищая основную цепь радиоэлектронного устройства. При этом варистор берет всю мощность импульса на себя и очень часто платит за это своей жизнью, то его выгорает наглухо
На схемах варисторы обозначаются вот таким образом:
Фоторезисторы
Большой популярностью также пользуются фоторезисторы. Они изменяют свое сопротивление, если на них посветить. В этих целях можно применять как солнечный свет, так и искусственный, например, от фонарика.
На схемах они обозначаются вот таким образом:
Тензорезисторы
Принцип действия их работы основан на растяжении тонких печатных проводников. При растяжении они становятся еще тоньше. Это все равно, что вытягивать жевательную резинку. Чем больше вы ее вытягиваете, тем тоньше она становится. А как вы знаете, чем тоньше проводник, тем бОльшим сопротивлением он обладает.
На схемах тензорезистор выглядит вот так:
Вот анимация работы тензорезистора, позаимствованная с Википедии.
Ну и как вы догадались, тензорезисторы используются в электронных весах, а также в различных датчиках, где применяется какое-либо давление, либо сила.
Реактивные составляющие нагрузок
Чтобы выяснить, как найти общее сопротивление цепи в реальных условиях, следует учитывать наличие и соответствующее влияние компонентов с активными и реактивными характеристиками. К первой группе относят:
- резисторы (постоянные и переменные);
- соединительные провода;
- нагревательные элементы (ТЭНы).
Проводимость таких изделий зависит от исходного материала и количества примесей, поперечного сечения и длины, уровня температуры.
Определение сверхпроводимости
При увеличении силы тока в типовом проводнике из металла столкновение электронов с молекулярной кристаллической решеткой провоцирует преобразование электрической энергии в тепловую. Наглядный пример такого процесса – серийная лампа накаливания. До 90% и более мощности потребления подобные приборы используют впустую для нагрева окружающего пространства.
Температурное влияние на сопротивление применяют для создания датчиков. Изменение тока в соответствующей цепи фиксируют измерительным прибором. После преобразования в наглядный цифровой вид результаты отображают на дисплее.
Цифровой термометр с выносным датчиком
Индуктивными реактивными характеристиками обладают катушки. Подключение такого изделия смещает фазы тока и напряжения. Электрическое сопротивление (ХL) в этом случае сильно зависит от частоты сигнала (f), индуктивности (L):
ХL = 2π * f * L.
Частный случай применения – ограничитель помех. Такие схемы выполняют свои функции за счет сильного сопротивления току при увеличении частоты (скорости нарастания переднего фронта импульса).
Для нагрузки с емкостными свойствами применяют следующую формулу:
Хc = 1/ 2π * f * C.
Такими параметрами обладает конденсатор. Он также создает фазовый сдвиг, заряжается и разряжается в соответствии с изменениями входного сигнала.
Типы проводников
Проводимость веществом электрического тока связана с наличием в нем свободных носителей заряда. Их количество определяется по электронной конфигурации. Для этого необходима химическая формула вещества, при помощи которой можно вычислить их общее число. Значение для каждого элемента берется из периодической системы Дмитрия Ивановича Менделеева.
Электрический ток — упорядоченное движение свободных носителей заряда, на которые воздействует электромагнитное поле. При протекании тока по веществу происходит взаимодействие потока заряженных частиц с узлами кристаллической решетки, при этом часть кинетической энергии частицы превращается в тепловую энергию. Иными словами, частица «ударяется» об атом, а затем снова продолжает движение, набирая скорость под действием электромагнитного поля.
Процесс взаимодействия частиц с узлами кристаллической решетки называется электрической проводимостью или сопротивлением материала. Единицей измерения является Ом, а определить его можно при помощи омметра или расчитать. Согласно свойству проводимости, вещества можно разделить на 3 группы:
- Проводники (все металлы, ионизированный газ и электролитические растворы).
- Полупроводники (Si, Ge, GaAs, InP и InSb).
- Непроводники (диэлектрики или изоляторы).
Проводники всегда проводят электрический ток, поскольку содержат в своем атомарном строении свободные электроны, анионы, катионы и ионы. Полупроводники проводят электричество только при определенных условиях, которые влияют на наличие или отсутствие свободных электронов и дырок. К факторам, влияющим на проводимость, относятся следующие: температура, освещенность и т. д. Диэлектрики вообще не проводят электричество, поскольку в их структуре вообще отсутствуют свободные носители заряда. При выполнении расчетов каждый радиолюбитель должен знать зависимость сопротивления от некоторых физических величин.
Как вычислить общее сопротивление цепи
Для расчетов используют представленные выше правила, формулы, проверочные действия. Рекомендуется сначала изобразить схему в упрощенном виде, с комплексным объединением отдельных участков. Далее вычисляют эквивалентные сопротивления соответствующих групп. При необходимости можно определить токи в цепях, находить значения напряжений в контрольных точках.
Метод 1 Последовательное соединение
Для таких соединений применяют представленное выше простое суммирование:
Rобщ = R1 + R2 + … + Rn.
Ток в замкнутой цепи не изменяется. Проверка при подключении мультиметра в любой разрыв покажет одно и то же значение. Вместе с тем на каждом резисторе при разных номиналах элементов будет различное падение напряжения. В соответствии со вторым постулатом Кирхгофа результат вычислений проверяют сложением:
Uакб = U1 + U2 + Un.
К сведению. С помощью приведенной схемы нетрудно рассчитать делитель напряжения на определенный уровень при известных рабочих параметрах источника питания постоянного тока.
Пример вычислений для последовательного соединения
Метод 2 Параллельное соединение
В этом варианте соединения удобно оперировать с обратным сопротивлению параметром – проводимостью. Впрочем, допустимо применение и такой исходной формулы:
1/Rобщ = 1/R1 + 1/R2 = 1/(1/R1 + 1/R2) = R1*R2/R1 + R2.
В узле на входе ток распределяется по разным цепям пропорционально номиналам соответствующих резисторов. На выходе происходит обратное преобразование. Проверку вычислений выполняют по принципам первого постулата Кирхгофа.
Формулы и пример для параллельного соединения
Метод 3 Комбинированное соединение
Сложные схемы упрощают. Отдельно рассчитывают параллельный участок. Далее создают неразветвленный контур из последовательных элементов.
Сложный расчет
При необходимости можно трансформировать схему из соединения резисторов «треугольником» в «звезду» или обратно. Ниже приведены формулы для расчета эквивалентных сопротивлений в цепях после преобразования.
Перевод «звезды» в «треугольник»
Метод 4 Формулы, включающие мощность
Каков будет результат, узнать несложно с помощью любой из подходящих формул:
P = I2 *R = U2/ R.
Исходные параметры берут из предварительных расчетов либо определяют измерением. Можно использовать схемы вычислений с токами в цепях или напряжением на отдельных резисторах (группах последовательно соединенных элементов).
Величина напряжения, обеспеченная резисторным элементом
Идеальный элемент, который превращает электричество в другой вид энергии, называют резистивным. Электроэнергия может преобразовываться в световую, тепловую или механическую виды. Величина напряжения на таком элементе зависит от разности потенциалов на концах резистора. Это значит, чем больше значение его сопротивления, тем больше значение напряжения на нём.
Изменение такой характеристики резистора, как сопротивление, позволяет реализовывать схематические решения в разных отраслях радиотехники и электроники. При выборе элементов следует учитывать удельное значение этой величины и изменение вольт-амперной характеристики при разных режимах работы.
Заказать решение ТОЭ
- Метрология Электрические измерения
- Пигарев А.Ю. РГЗ по электротехнике и электронике в Multisim
- Теория линейных электрических цепей ТЛЭЦ — Теория линейных электрических цепей железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: задание на контрольные работы № 1 и 2 с методическими указаниями для студентов IV курса специальности Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте — Контрольная работа №1
- — Контрольная работа №2
- — Электротехника и основы электроники: Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников инженерно-технических специальностей высших учебных заведений / Соколов Б.П., Соколов В.Б. – М.: Высш. шк., 1985. – 128 с, ил — Контрольная работа № 1 Электрические цепи
- — Артеменко Ю.П., Сапожникова Н.М. Теоретические основы электротехники: Пособие по выполнению курсовой работы МГТУ ГА 2009
Практические задания:
- Ход работы: 1) Подключите лабораторный блок питания (далее, БП) к вольтметру (рисунок ниже). С помошью ручки регулятора (располагается на блоке питания) изменяйте напряжение на вольтметре пока он не покажет значение 9 Вольт. Поскольку, внутреннее сопротивление блока питаия мало ( 2) Собрите электрическую цепь, состоящую из источника ЭДС (лабораторный блок питания), переменного резистра, постоянного резистра R, вольтметра(мультиметр в режиме измерения напряжения) и ключа К (разомкнутого) по следующей схеме: 3) С помошью переменного резистра установите внутреннее сопротивление источника ЭДС. Для этого возьмите еще один мультиметр и установите его в режим измерения сопротивления. Подсоедините его щупы к переменному резистру r. Теперь, установите сопротивление резистра: А) 0 Ом — внутреннее сопротивление равно сопротивлению БП Б) 30 Ом — внутреннее сопротивление примерно равно сопротивлению батарейки типа «крона». В) 100 Ом — внутреннее сопротивление достаточно плохого источника. После установки сопротивления для каждого из вариантов А), Б), В), необходимо отключать мультиметр, используемый для измерения сопротивления. 4)Далее, необходимо: Замкнуть ключ K. С помощью вольтметра измерить падение напряжения на резистре R для случаев A, Б и B. Проанализировать полученные результаты, на основании замеров сделать вывод о внутреннем сопротивлении источников питания. 5)Сфотографируйте и разместите этапы сборки. 6)Заполните таблицу падений напряжения для случаев А,Б,В.
- Ход работы: 1)Соберите электрическую цепь, состоящую из источника ЭДС, двух последовательно соединенных резисторов R1, R2 и вольтметра (мультиметр в ежиме измерения напряжения) согласно схеме: В качестве источника ЭДС возьмите лабораторный БП (установите на 15 вольт). Используйте резистры R1 и R2 сопротивлениями: А) 1КОм, 1КОм. Б) 1КОм, 2КОм. В) 1КОм, 5КОм. Г) 1КОм, 10КОм. 2)Для всех вариантов А-Г с помощью мультиметра измерьте падение напряжения на участке С-B. Проанализируйте полученные результаты. В каких отношениях резистры делят напряжение?
Лабораторные работы Технологии+Бизнес
