Цепи реальных электрических установок состоят из множества элементов: проводников, конденсаторов, микросхем.
Все составляющие цепей делят на несколько групп: активные, реактивные, управляющие элементы, источники питания.
Поведение, характеристики радиоэлементов зависят от вида протекающего тока (постоянный, переменный), от способа их подключения.
Для чего предназначены резисторы и конденсаторы
Резисторы – одни из наиболее распространённых элементов в электронике. Их главное назначение – сопротивление течению тока и преобразовывать его в тепло. Главной характеристикой данных элементов является значение R.
Чем больше величина R, тем большая часть электроэнергии сможет рассеется в тепло. В схемах, которые питаются небольшим напряжением от 5 до 12 В, чаще всего используют резисторы имеющие величину R от 100 Ом до 100 кОм.
Конденсаторы – устройства, главная задача которых накапливать электрические заряды. Стоит отметить, что эту же функцию выполняет и аккумулятор, но в отличие от батареи конденсатор сразу же отдаёт весь накопившийся заряд. Величина, которую способно накопить устройство, называют «ёмкость».
Когда подсоединяется цепь к источнику электроэнергии: через конденсатор течет электрический ток. Сила тока в начале прохождения через устройство имеет наивысшее значение, в это же время напряжение станет низким.
После того, как устройство начнет накопление заряда, сила тока упадёт до нуля, а напряжение наоборот станет увеличиваться.
Особенности параллельного подключения источников тока
Различают следующие виды:
- последовательное;
- параллельное;
- смешанное соединение.
В электрических цепях радиоэлектронных устройств больше всего проводников, конденсаторов. Среди всех свойств определяющее значение имеет один параметр:
- для проводников – сопротивление;
- для конденсаторов – емкость.
При различных способах включения в цепь значение имеет суммарная, результирующая величина, различие в номиналах некритично.
Источники тока характеризуют двумя параметрами:
- электродвижущей силой (ЭДС) Е;
- внутренним сопротивлением r.
Параллельное подключение к нагрузке источников питания с различными ЭДС имеет серьезный недостаток: даже при отсутствии внешней нагрузки источник с большей электродвижущей силой разряжается через источник с меньшей ЭДС. Процесс продолжается до тех пор, пока значения ЭДС не станут одинаковыми, часть суммарной емкости теряется.
В электротехнике применяют параллельное подключение источников питания с различными характеристиками для работы на общую нагрузку, но не напрямую.
Для включения в цепь используют сложные схемы выравнивания, синхронизации, блокировки, защиты.
В быту используют параллельную установку нескольких одинаковых гальванических элементов: в фонарях, пультах управления техникой, в радиоуправляемых игрушках.
Соединяют одноименные полюса: плюс с плюсом, минус с минусом.
Такое включение не требует никаких дополнительных коммутаторов, элементов защиты. ЭДС между полюсами всех источников равны:
Egen = Е1 = Е2.
Общая сила тока увеличивается, она равна сумме сил токов от каждого источника:
Igen = I1+ I2.
Особенности соединения резистора и конденсатора в цепи
Существует два типа соединения резисторов и конденсаторов: параллельное и последовательное.
Параллельное соединение резистора и конденсатора
Для того, чтобы осуществить параллельное соединение резистора и конденсатора, необходимо объединить все элементы цепи двумя узлами. Они не должны иметь связи с другими элементами.
При таком соединении, величина напряжения между обоими узлами станет падать, и оно станет равным для каждого элемента. А величина, которая обратна общему R, будет равняться сумме величин, которые обратны R всех проводников.
Когда осуществляется параллельное соединение резисторов, проводимость всех резисторов станет равняться проводимости цепи.
Если резистор соединить к заряженному конденсатору то вполне возможно короткое замыкание.
Последовательное соединение
Последовательное соединение – связка элементов между собой так, чтобы начальный участок цепи не имел ни одного узла. При таком соединении величина тока на проводниках станет равна между собой.
RC–цепочка
RC–цепочка интегрирующего типа
Что произойдет в этой схеме, если замкнуть выключатель S1?
Конденсатор С исходно разряжен и напряжение на нем рано 0. Поэтому ток в первый момент будет равен I=U/R. Затем конденсатор начнет заряжаться, напряжение на нем увеличивается, и ток через резистор начнет уменьшаться. I=(U-Uc)/R. Этот процесс будет продолжаться, конденсатор будет заряжаться уменьшающимся током до напряжения источника U. Напряжение на конденсаторе при этом будет расти по экспоненте.
рис 11. График роста напряжения на конденсаторе при подаче напряжения величиной U (ступеньки).
Вопрос: А если запитать такую цепочку от генератора тока, как будет расти напряжение на конденсаторе?
Как выше было отмечено, ток в первый момент после подачи напряжение будет равен I=U/R, так как конденсатор разряжен, и напряжение на нем равно 0. И какое-то время, пока напряжение на конденсаторе Uc мало по сравнению с U, ток будет оставаться почти постоянным. А при заряде конденсатора постоянным током напряжение на нем растет линейно.
Uc=Q/C, а мы помним, что ток это количество заряда в секунду, то есть скорость протекания заряда. Другими словами, заряд это интеграл от тока.
Q = ∫ I * dt =∫ U/R * dt
Uc=1/RC * ∫ U * dt
Но все это близко к истине в начальный момент, пока напряжение на конденсаторе малó.
На самом деле все сводится к тому, что конденсатор заряжается постоянным током. А постоянный ток выдает генератор тока. (См. вопрос выше) Если источник напряжения выдает бесконечно большое напряжение и сопротивление R также имеет бесконечно большую величину, то по факту мы имеем уже идеальный генератор тока, и внешние цепи на величину этого тока влияния не оказывают.
RC–цепочка дифференцирующего типа
Ну тут все то же самое, что в интегрирующей цепочке, только наоборот.
рис 12. Дифференцирующая цепочка.
Более подробно свойства RC цепей хорошо освещены в интернете.
Параллельное и последовательное соединение конденсаторов
Так же как резисторы, конденсаторы можно соединять последовательно и параллельно.
Источник
Как рассчитать импеданс в цепи
Импеданс – полное R тока, который обозначается Z. Этот параметр – отражение меняющегося во времени значения тока. Импеданс — векторная величина, которая состоит из двух значений: активное и реактивное сопротивление.
Активная часть импеданса, которая обозначается R – это мера степени, с которой материал будет противостоять движению электронов между атомными частицами. Чем легче атомные частицы освобождают или принимают электроны, тем ниже и сопротивление.
К материалам с минимальным сопротивлением можно отнести сталь, алюминий, золото. Самое большое значение R имеют стекло, слюда, полиэтилен и чаще всего их называют изоляторы или диэлектрики.
Стоит отметить! Активное R, имеет одно и тоже значение, как при последовательном, так и при параллельном соединении.
Если использовать резисторы в цепях синусоидального тока, то термин «импеданс» будет использоваться для обозначения сопротивления R=Z.
Практические расчеты импеданса чаще всего выполняются по следующей формуле:
Z = Um/Im.
Реактивное сопротивление обозначается X и является выражением степени, с которой электронный компонент схемы станет хранить или высвобождать электроэнергию, в то время, когда сила тока и значение напряжения станет колебаться при каждом цикле. Реактивное сопротивление выражается в числе Ом.
Энергия будет храниться и выделяться в двух типах:
- Магнитного поля. Реактивная часть является индуктивной.
- Электрического поля.
1.1. ПОНЯТИЕ О ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ
Oпределение: Переменными называют токи и напряжения, изменяющиеся во времени, по величине и направлению. Их величина в любой момент времени называется мгновенным значением. Обозначаются мгновенные значения малыми буквами: i, u, e, p.
Токи, значения которых повторяются через равные промежутки времени, называются периодическими. Наименьший промежуток времени, через который наблюдаются их повторения, называется периодом и обозначается буквой Т. Величина, обратная периоду, называется частотой, т.е. и измеряется в герцах (Гц). Величина называется угловой частотой переменного тока, она показывает изменение фазы тока в единицу времени и измеряется в радианах, деленных на секунду
Максимальное значение переменного тока или напряжения называется амплитудой. Оно обозначается большими буквам с индексом »m» (например, Im). Существует также понятие, действующего значения переменного тока (I). Количественно оно равно:
что для синусоидального характера изменения тока соответствует
Переменный ток можно математически записать в виде:
Здесь индекс выражает начальную фазу. Если синусоида начинается в точке пересечения осей координат, то = 0, тогда
Начальное значение тока может быть слева или справа от оси ординат. Тогда начальная фаза будет опережающей или отстающей.
